15 апреля 1988 года впервые поднялся в воздух Ту-155, работающий на жидком водороде. России принадлежит мировое лидерство в области криогенной авиации, позволяющей существенно снизить стоимость полетов. Сейчас в разработке находятся 2 «газовых» лайнера.
1. Мечта экологов и экономистов В середине 70-х годов Академия наук СССР совместно с рядом НИИ и КБ приступила к реализации программы разработки методов использования альтернативных видов топлива в промышленности и на транспорте. Наибольших успехов в этом направлении удалось достичь в авиации, а также в ракетной технике.
В качестве альтернативы авиационному керосину были избраны жидкий водород и сжиженный природный газ (СПГ).
Достоинства каждого из них очевидны. Теплотворная способность водорода в три раза превышает углеводородное топливо. В связи с чем с его помощью значительно проще разгонять летательные аппараты до гиперзвуковых скоростей. Еще одно его достоинство, роль которого в политике авиакомпаний постоянно возрастает, - можно сказать, идеальные экологические свойства. При сгорании водорода, как известно, образуется чистая вода. Теплотворная способность СПГ также выше теплотворной способности керосина на 15%. И продукты его сгорания также значительно менее токсичны.
2. Битва за ресурс
Для отработки криогенных технологий и испытаний двигателя нового типа был избран серийный лайнер Ту-154Б. На его базе был создан экспериментальный Ту-155.
Самолет Ту-155, экспериментальный вариант самолета Ту-154 для отработки двигателей с использованием криогенного топлива
Два боковых двигателя, работающие на керосине, оставили без изменения. А вместо центрального двигателя НК-8-2У установили экспериментальный турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88.
Этот двигатель имеет еще более долгую историю, чем самолет, на котором он был использован. НК-88 начали разрабатывать в КБ Самара/Труд в 1968 году под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова (ныне ОАО «Кузнецов»). И в 1985 году передали в КБ Туполева. Основным требованием, предъявляемым к двигателю, была его повышенная пожаробезопасность.
Главная же инженерная сложность разработки заключалась в создании двигателя с ресурсом в несколько тысяч часов. Задача была принципиально новая для двигателестроения. Существовавшие в то время ракетные двигатели, использующие жидкие водород и кислород, отрабатывали несколько секунд, после чего сгорали в плотных слоях атмосферы.
Поскольку жидкий водород хранится при температуре -253 градуса Цельсия, в выделенном для топливного бака отсеке самолета была смонтирована мощная криогенная установка. Охлаждаемый бак с горючим вмещал 20 куб.м жидкого кислорода. Этого хватало на 2 часа полета.
В связи с повышенной взрыво- и пожароопасностью жидкого водорода Ту-155 был оснащен тремя дополнительными системами:
- гелиевой, управляющей агрегатами силовой установки;
- азотной, замещавшей обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации. При этом из отсека с баком было удалено все электрооборудование для предотвращения возможности искрообразования;
- системой контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.
Образующиеся в баке пары водорода отводились при помощи дренажной системы в хвостовой части фюзеляжа таким образом, чтобы их выброс происходил на безопасном расстоянии от двигателя.
3. Плюс газификация
Первый полет Ту-155 совершил экипаж под руководством летчика-испытателя В.Севанакаева. Всего на жидком водороде было совершено 12 испытательных полетов, в процессе которых было установлено 14 мировых рекордов. Был совершен международный перелет по маршруту Москва – Братислава – Ницца. А перелет из Москвы в Ганновер, где проходила международная конференция по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, произвел сильное впечатление на прибывших в этот немецкий город ученых и конструкторов.
Наиболее восторженно отозвался о «водородном» самолете американский авиационный инженер Карл Бревер: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».
В январе 1989 года водородное направление было свернуто. И Ту-155 переориентировали после определенных доработок на сжиженный природный газ.
Вполне понятно, что использование в качестве топлива СПГ значительно выгоднее с точки зрения его стоимости по сравнению с водородом. Поскольку в настоящее время себестоимость получения водорода столь высока, что его использование в коммерческой авиации невозможно.
СПГ почти в три раза дешевле авиационного керосина. А в обозримом будущем, когда запасы нефти будут подходить к концу, природный газ, несомненно, начнет вытеснять керосин.
И тут у России имеется уникальный опыт, которого нет ни у кого в мире. Нигде более не существует такой, как у нас, технологии создания криогенных силовых самолетных установок.
4. Жертва реформ
Ту-155 на СПГ совершил более сотни вылетов. Они продемонстрировали работоспособность, безопасность и эффективность криогенных технологий. При этом системы для СПГ оказались более простыми, чем водородные, по части их разработки, производства и эксплуатации. В значительной мере потому, что температура СПГ составляет -160 градусов Цельсия, что на 100 градусов выше, чем при использовании жидкого водорода.
При этом, учитывая газифицированность практически всех сколько-нибудь значимых аэропортов мира, проблема доставки этого топлива решается автоматически. Необходимо лишь создать на местах установки для сжижения газа, что в техническом отношении не столь уж и сложная проблема. И она может и должна быть решена, если учесть, что СПГ экономичнее керосина по энерговыделению на 15%. Если же учесть разницу в стоимости этих двух видов топлива, то экономический эффект может оказаться весьма существенным – до 50%.
КБ Туполева решило развить полученный положительный результат и внедрить его уже в серийный самолет. Начались работы по созданию самолета Ту-156 с двигателем НК-89 двойного использования, который одинаково эффективно работает как на СПГ, так и на керосине.
Но в начале 90-х из-за отсутствия финансирования проект был закрыт.
Авиационный газобурбинный двигатель НК-89
5. Криогенное будущее Однако в конце 90-х годов по инициативе «Газпрома» работы по созданию самолетов с криогенными двигателями были возобновлены. Несмотря на то, что проект Ту-156 был готов на 70%, от него было решено отказаться в связи с тем, что по летно-техническим и эксплуатационным характеристикам этот лайнер уже устарел.
Было решено создать Ту-136 – среднемагистрального «трудягу», который будет работать на северных и сибирских трасса. «Газпром», который является главным инвестором проекта, намеревается в обозримом будущем получить около сотни таких машин, которые будут использоваться для доставки в газоносные районы сотрудников, работающих вахтовым методом, и необходимых грузов.
Взлетная масса проектируемой машины – 20 тонн. Ту-136 может перевозить 53 пассажиров или 6 тонн груза со скоростью 550 км/ч. Высота полета – 9000м. При этом самолет способен садиться на грунтовые ВПП.
Двигатели Ту-136 ТВ7-117СФ работают и на керосине, и на СПГ. Разработчики утверждают, что есть возможность использовать в качестве топлива даже жидкий водород. Что, впрочем, для столь бюджетной машины было бы безумием.
Конструкция Ту-136 существенно отличается от конструкции и Ту-155 и Ту-156. Два топливных бака с СПГ расположены в нем не в фюзеляже, а в двух вынесенных гондолах за двигательной установкой. С помощью такого решения удалось убить двух зайцев. Короткие криогенные трассы имеют небольшую массу и не требуют больших энергетических затрат на теплоизоляцию. Также это позволило существенно повысить взрывобезопасность самолета: вероятность поджига пролитого топлива из поврежденных баков переводит опасность взрыва образующейся топливо-воздушной смеси к менее разрушительному пожару.
Получаемая из КБ Туполева информация о продвижении проекта позволяет надеяться на то, что скоро эта машина будет готова и начнет использоваться на региональных трассах. Вот только конкретная дата не называется.
Туполевцы работают и еще над одним криогенным проектом – Ту-204К. Он создается на базе серийного широкофюзеляжного Ту-204. Это уже более серьезная машина, принимающая на борт 210 пассажиров и имеющая дальность 5200 км. Но когда этот лайнер выйдет на трассы – то есть тайна за семью печатями.
