Олександр Філатов
Введення
В даний час паливно-енергетична і екологічна проблеми набувають все більшої актуальності і масштабність. У найближчі десятиліття нарощування енерговиробництва тільки за рахунок органічних палив неможливо. Це обумовлено обмеженістю їх запасів, зростанням потреби в них інших галузей промисловості, забрудненням навколишнього середовища.
Найперспективнішим енергоносієм в даний час є водень (у рідкому і газоподібному стані).
Зараз кількість літаків, двигунів, аеропортів таке велике, що зміна палива здається дорогим і довгим процесом.
У даній роботі коротко викладені основні ідеї поступового переходу авіації на кріогенне паливо. Дана робота не містить секретної інформації.
Водень - авіаційне паливо
Водень задовольняє багатьом вимогам, що пред'являються до палив. Водень дає мінімум забруднення навколишнього середовища. Висока масова теплота згоряння приблизно в 2,8 рази перевищує теплоту згоряння гасу, його висока повнота згорання дозволяє підвищити ефективність двигунів, зменшити питому витрату палива, зменшити масу і габарити двигуна.
До переваг водню як авіаційного палива слід додати наступне. LH2 легко випаровується і швидко поширюється по всьому об'єму камери згоряння, що сприяє швидкому запуску двигуна. Незначна енергія і широкі межі запалення воднево-повітряної суміші також сприяють швидкому запуску двигуна при різних температурах і на різних висотах. Водень при згоранні дає полум'я з низькою випромінюючої здатністю і згорає без утворення нагару, що дозволяє збільшити ресурс і надійність двигунів. Мала корозійна активність водню. Двигуни на LH2 практично не забруднюють навколишнє середовище. Теплопоглинаюча здатність водню у 30 (!) Разів вище, ніж у гасу, що дозволяє використовувати його в системах охолодження елементів двигуна і ЛА. Підвищення ефективності охолодження турбін дозволяє підняти температуру перед турбіною і ступінь підвищення тиску в компресорі. Це призведе до значного зниження питомої витрати пального (15-20%) і підвищення питомої тяги двигуна. Високі кінетичні властивості LH2 як пального: швидке протікання сумішоутворення, стійкість до ВЧ коливань. Менша маса ЛА дозволяє зменшити навантаження на крило і розміри крила. Це знизить шум в районі аеропорту. Робота на LH2 дозволяє створювати компактні камери згоряння з більш рівномірним температурним полем на виході. Внаслідок більш високій теплоємності газу, температура на вході буде нижчою, і т. д.
Льотні якості ЛА на LH2 мають тенденцію до оптимізації при М »6. Тобто, чим вище швидкість літака і більше його маса, тим доцільніше перехід на водень. Більшість проблем, пов'язаних з використанням LH2 як авіаційного палива, пов'язане з його дуже низькою щільністю (63-70 кг/м3) і низькою температурою кипіння (20К). Значить, літакові баки повинні бути відносно великими і мати конфігурацію з мінімізованим ставленням поверхні до об'єму, щоб уникнути надмірних втрат на випаровування і додаткову масу ізоляції. Також деякі конструкційні матеріали стають крихкими в LH2.
Літальні апарати
Розглянемо поступовий перехід авіації на кріогенне паливо. Він складається з трьох етапів.
1.Только кілька аеропортів мають криогенні системи заправки. На даному етапі використовують звичайні ЛА і двохпаливні ЛА. Останні являють собою існуючі літаки з встановленим криогенним баком. Необхідна маса водню в 2,8 рази менше маси гасу, але через низьку щільності водню, реквізит об'єм баків вище в 4,3 рази. Така кількість палива можна помістити над салоном по всій довжині ЛА. Звичайно, можна розмістити бак в салоні, але це знизить кількість пасажирських місць і підвищить вартість квитка. Двохпаливні ЛА можуть використовувати як гас, так і водень. Їх застосування виправдане про двох причин: а) вони не вимагають обов'язкової наявності кріогенної системи в аеропортах, б) стимулюють розвиток кріогенної інфраструктури.
2.Крупнейшіе аеропорти мають криогенні системи. Близько 50% пасажирів перевозиться на водні. На цьому етапі найпоширеніший тип ЛА - двохпаливні. Гасові ЛА витісняються появою власне кріогенних ЛА, в тому числі гіперзвукових. Такі ЛА спочатку спроектовані під використання водню. Велика частина підйомної сили виробляється плоским фюзеляжем. Невеликі крила простягаються уздовж усього ЛА і закінчуються кермом висоти. Криогенний бак розташований в центрі фюзеляжу по всій його довжині. По обидва боки від нього знаходяться пасажирські салони. Там де фюзеляж переходить в крила, розташовані два ВМД. У хвостовій частині або під крилами розташовані гіперзвукові двигуни зовнішнього горіння. ВМД використовуються при зльоті-посадці і на швидкостях до 1,5-2М. Основний політ відбувається на швидкості 6-12М на висоті понад 18 км з використанням двигунів зовнішнього горіння. Вхідні і вихідні отвори ВМД в цей час закриті аеродинамічними щитками.
При невеликій зміні конструкції та встановлення ракетного двигуна, такий ЛА може вийти на орбіту. Він не має ВМД. Замість них розташовані баки з рідким киснем. Також можлива установка підвісних баків. ЛА стартує з будь-якого аеропорту за допомогою РД. Використовуючи підйомну силу фюзеляжу і крила, він розганяється до 2М. Далі включаються авіаційні двигуни зовнішнього горіння (вони використовують кисень з атмосфери). ЛА досягає максимально можливої висоти та швидкості, і знову включається ракетний двигун.
3. Всі аеропорти мають криогенні системи. Двохпаливні ЛА доживають свій вік на ближніх дистанціях, що витісняються кріогенними ЛА.
Наземне обладнання
Розвиток водневої інфрастуктури також ділиться на три етапи.
1. На території аеропортів зводяться сховища для рідкого водню (такі споруди вже існують). Доставка здійснюється залізничним транспортом з найближчих LH2 заводів. Ті ж або отримують газоподібний водень самі, або по трубопроводах. Заправка ЛА проводиться або через криогенні трубопроводи, або з автоцистерн. Всі описані об'єкти вже існують і успішно використовуються.
2.На узбережжях океанів зводяться ядерні заводи з виробництва газоподібного водню. Будуються магістральні трубопроводи під водень або модернізуються існуючі. Зароджується єдина воднева індустрія. Зауважимо, що передача енергії у вигляді водню дешевше, ніж передача електроенергії. Значить, водень можна використовувати на міських електростанціях на базі списаних ВМД або існуючих теплових станціях. Це набагато покращить екологію великих міст. Транспортування газоподібного водню безпечніше, ніж природного газу, так як при витоку водень швидко піднімається вгору і розчиняється в атмосфері, а природний газ накопичується в низинах, утворюючи вибухонебезпечні суміші (у Росії згоріли два пасажирські потяги в кінці 80-х). Воднева індустрія зробить енергетику і економіку країни незалежною від нафтових криз і цін на нафту. Будь-яка країна може виробляти водень, особливо якщо вона використовує океанічну воду (ця вода містить паливо для реактора). Великі аеропорти мають власні заводи з виробництва LH2. Вони отримують газоподібне сировину з трубопроводів. Частина LH2 транспортується на найближчі аеропорти, які не мають власного виробництва. Частина газоподібного водень використовується для отримання електроенергії для аеропорту та міста.
3.Все аеропорти мають власний завод LH2. Великі аеропорти запускають і приймають вантажі з орбіти.
Двигуни
Розглянемо чотири типи кріогенних двигунів.
1. Двохпаливні двигуни створюються на базі існуючих двигунів. Додається система подачі водню. Вона включає в себе: водневий бак, бустерний насос, водневі магістралі і клапани, систему продування водневих магістралей гелієм, систему регулювання, універсальний турбонасос, випарник, форсунки. Дана система універсальна і може бути використана у кріогенних двигунах наступного покоління, включаючи гіперзвукові. Основний вузол системи - універсальний турбонасос, який може працювати з будь-яким типом двигунів (у своїй дипломній роботі автор довів принципову можливість створення такого агрегату). На жаль, його опис занадто велика і буде наведено в окремій статті. Водень подається турбонасосу у випарник. Водень випаровується, нагрівається і приводить в рух турбіну турбонасосу. Потім він надходить на форсунки камери згоряння. Випарник може бути розташований за турбіною двигуна або під обшивкою гіперзвукового лайнера. Зауважимо, що переробка двигуна полягає тільки в установці водневих форсунок і випарника. Такий двигун має дві системи топлівопітанія і може працювати на будь-якому наявному паливі (але не на двох одразу!).
2. Кріогенні газотурбінні двигуни. Такі двигуни створені під використання водню, але мають в якості прототипів звичайні газотурбінні двигуни. На відміну від них, кріогенні двигуни мають невелику камеру згоряння, більший ресурс турбіни, високу ступінь підвищення тиску в компресорі. Воднева система аналогічна двохпаливні двигунів. Кріогенні газотурбінні двигуни будуть використовуватися на дозвукових літаках, а також на гіперзвукових лайнерах в якості проміжного двигуна (зліт - посадка).
3. Гіперзвукові двигуни зовнішнього горіння. З попередніми типами їх пов'язує тільки система подачі палива. У всьому іншому - це зовсім інший пристрій. Він не має рухомих частин (компресора, турбіни). Роль проточної частини двигуна виконує корпус ЛА. Паливо подається безпосередньо на поверхню ЛА, де самозаймається з-за високої температури повітря.
4. Ракетні двигуни. Використовують водень і кисень з кріогенних баків.
Висновок
Як Ви могли переконатися, послідовний перехід до кріогенної авіації зачіпає і енергетичну систему країн. Все це значно покращить екологічну ситуацію, створить нові робочі місця, знизить час і вартість перельотів. Чи стане простіше, дешевше і доступніше запуск космічний кораблів. Перехід займе не одне десятиліття, але його здійснення може бути розпочато вже зараз, тому що існують ВСЕ, необхідні для першого етапу, технічні засоби. Залишається тільки створення кріогенних сховищ біля аеропортів і установка на існуючі літаки водневої системи (система паливоподачі і прототип турбонасосу вже випробовувалися на двигуні НК-88 літака Ту-155).