Паливо для літальних апаратів xxi століття, наука і життя
ПАЛИВО ДЛЯ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ XXI СТОЛІТТЯ
Кандидати технічних наук В. АНДРЄЄВ, головний конструктор, і В. СОЛОЗОБОВ, директор ЦКБ (ВАТ "Туполєв").
Напередодні третього тисячоліття знову заговорили про кріогенної авіаційній техніці. Можливості її повинні набагато перевершити характеристики сьогоднішніх літаків, що літають на нафтовому паливі. Які перспективи відкриває переклад цивільних літаків з авіаційного гасу на кріогенне паливо? Як йдуть справи в цій галузі вУкаіни? З якими труднощами стикаються проектувальники кріогенних паливних систем?
В кінці тільки що минулого ХХ століття нафтове паливо поступилося першість газовому. Частка нафти в світовій енергетиці знизилася до 35 відсотків, а частка газу перевищила 50-відсотковий рубіж. За сучасними уявленнями геологів, потенційні запаси газу на планеті в десятки разів перевершують запаси вугілля і нафти, разом узяті. ВУкаіни, що займає перше місце в світі за розвіданими запасами природного газу, на газову енергетику припадає понад 52 відсотків усієї виробленої енергії.
Природний газ давно став поширеним автомобільним паливом. Сьогодні вчені думають про використання його на річковому, морському і залізничному транспорті. Впритул зайнялися цією проблемою і авіастроіте чи.
В середині 1980-х років у фахівців ВАТ "Туполєв" з'явилася можливість створити літак, що працює на зрідженому газовому паливі. Його ще називають криогенним (kryos - холод, genes - народжений). На базі пасажирського лайнера Ту-154 вони побудували літаючу лабораторію Ту-155 (див. "Наука і життя" № 1, 1989 г.). Як авіаційного палива був використаний рідкий водень. Це майже ідеальне екологічно чисте паливо виділяє при згорянні в основному воду і незначна кількість оксидів азоту. За теплотворної здатності водень втричі перевершує традиційний авіаційний гас.
У той же час водень вибухонебезпечний, зберігати і транспортувати його можна тільки в рідкому стані при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля (мінус 273 ° С). І це представляє дуже серйозну проблему.
Проектувальникам літаючої лабораторії довелося істотно змінити вигляд літака і вирішити цілий ряд складних технічних завдань. У хвостовій частині фюзеляжу, де був пасажирський салон, обладнали герметичний відсік і встановили в ньому кріогенний бак на 20 м з рідкого водню з екранно-вакуумної теплоізоляцією, яка довгий час зберігає в баку температуру нижче мінус 253 о С. Правий двигун літака замінили модифікованим НК -88, які працюють на жідководородной паливі. Для його подачі замість звичного насоса встановили високонапірний турбонасосний агрегат, на зразок тих, що використовуються в ракетних двигунах.
Щоб забезпечити надійну вибухо-та пожежобезпечність літака, з відсіку з вакуумним баком прибрали майже всю електропроводку - джерело можливого утворення іскри. Спроектували і змонтували дренажну систему, яка відводить з бака пари водню на безпечну відстань від двигунів і джерел електрики. Всього було сконструйовано більш 30 додаткових бортових систем.
Експериментальні польоти Ту-155 дали безцінний досвід для подальшого удосконалення авіаційних кріогенних паливних систем. Зараз створюється новий літак на криогенном паливі - Ту-156, призначений не для випробувань, а для комерційної експлуатації. У цієї машини вже з'явився потенційний замовник. Його збирається використовувати на регіональних авіалініях Газпром.
На відміну від свого попередника (серійного літака Ту-154М), Ту-156 оснащується трьома двигунами НК-89 з роздільними паливними системами (одна штатна - для гасу, інша - кріогенна - для СПГ). Як і НК-88, новий двигун обладнаний турбонасосним агрегатом, його приводить в дію повітря, який надходить з компресора турбореактивного двигуна. За турбіною знаходиться теплообмінник. У ньому рідкий газ нагрівається, переходить в газоподібний стан і надходить в камеру згоряння двигуна, де встановлені газові і гасові форсунки. Всі криогенні крани і клапани забезпечені електроприводами. На кріогенних баках і трубопроводах встановлена апаратура для вимірювання кількості та рівня палива, його температури і тиску. На правому і лівому бортах змонтовані заправний і дренажний штуцери. Час повної заправки літака - всього 30 хвилин.
Проектувальники Ту-156 розглянули безліч варіантів розміщення паливного бака (під крилом, на фюзеляжі, в інших місцях) і вибрали той, при якому не порушується аеродинаміка, зберігаються стійкість і керованість машини. Основний криогенний бак ємністю 13 тонн, діаметром більше 3 м і довжиною майже
5,5 м розмістили на місці заднього пасажирського салону, а центрувальні (на 3,8 тонни) - в передньому багажному відділенні під підлогою кабіни пілотів. Основну ж частину пасажирського салону перетворили на вантажний відсік.
Паливні баки для СПГ виготовили з алюмінієвого сплаву і покрили теплоізоляцією з Пінополіуре тана товщиною близько 50 мм. Такі баки не тільки зберігають низьку температуру (мінус 162 ° С), але і витримують надмірний тиск до 0,2 МПа. Як і в лабораторії, що літає, криогенні баки Ту-156 обладнуються дренажною системою, що скидає пари метану в нештатних і аварійних ситуаціях. При нормальній роботі тиск парів не перевищує допустимий.
Проблема особливої важливості - вибухо-та пожежобезпечність. На повітряних судах, що працюють на СПГ, вона має свою специфіку. Якщо порушується герметичність паливної системи літака, заправленого традиційним пальним - гасом, він, як слабоіспаряющаяся рідина, заповнює порівняно малий обсяг, і хоча виявити витік дуже важко, небезпека пожежі або вибуху не настільки велика. На літаках, що працюють на СПГ, все набагато серйозніше. У разі витоку газу з паливної системи він швидко заповнює відсіки планера. Щоб уникнути можливого займання метану, з них прибирають все іскроутворюючого електрообладнання та встановлюють газоаналітичні датчики, що сигналізують про аварійну ситуацію. Крім цього в відсіках передбачена примусова вентиляція.
При такому компоновочном вирішенні вантажопідйомність Ту-156 знизилася з 18,8 тонни (у базового Ту-154С) до 14 тонн. Але конструктори не виключають і інші, більш економічно вигідні рішення. Дальність перевезення вантажу, за розрахунками, буде не менше складає 2600 км при роботі на СПГ, а на СПГ і гасі - 3200 км. Завдяки двом роздільним паливних систем (для гасу і ЗПГ) Ту-156 зможе заправитися газом, здійснити політ в аеропорт, де поки немає обладнання для його виробництва і зберігання, та полетіти звідти на гасі. У нештатної ситуації перейти з одного виду палива на інший можна всього за 5 секунд. Ці переваги підвищують безпеку польотів і роблять авіалайнери на СПГ більш мобільними.
Ще три роки тому Самарський авіаційний завод повинен був випустити три літаки Ту-156, провести їх сертифікацію і розпочати дослідну експлуатацію. Через брак коштів машини ці досі не побудовані. Тим часом саме на них належить відпрацювати не тільки проектно-конструкторські рішення, але і технологію експлуатації та обслуговування літаків на криогенном паливі. Завершення цих робіт дасть поштовх до початку більш широкого застосування зрідженого природного газу в авіації. Але вже зараз розробляються модифікації сучасних літаків, які зможуть літати на СПГ, в їх числі пасажирський лайнер нового покоління Ту-204.
Щоб польоти літаків на СПГ стали регулярними, потрібно створювати в аеропортах наземну інфраструктуру. Це перш за все установки для скраплення газу та газозаправних обладнання. А оскільки більшість аеропортів розташовується поблизу магістральних газопроводів, де газ знаходиться під високим тиском, потрібні також газоперекачувальні і газорозподільні станції. Зараз ведуться роботи по переводу СПГ в рідкий стан без витрат додаткової енергії.