Воднева авіація
В даний час паливно-енергетична та екологічна проблеми набувають все більшої актуальності та масштабності. У найближчі десятиліття нарощування енерговиробництва лише за рахунок органічних палив неможливе. Це обумовлено обмеженістю їх запасів, зростанням потреби в них інших галузей промисловості, забрудненням довкілля.
Найперспективнішим енергоносієм нині є водень (у рідкому та газоподібному стані).
Зараз кількість літаків, двигунів, аеропортів така велика, що зміна палива здається дорогим і довгим процесом.
У цій роботі коротко викладено основні ідеї поступового переходу авіації на кріогенне паливо. Ця робота не містить секретної інформації.
Водень – авіаційне паливо
Водень задовольняє багатьом вимогам до палив. Водень дає мінімум забруднення довкілля. Висока масова теплота згоряння приблизно в 2,8 рази перевищує теплоту згоряння гасу, його висока повнота згоряння дозволяє підвищити ефективність двигунів, зменшити питому витрату палива, зменшити масу та габарити двигуна.
До переваг водню як авіаційного палива слід додати таке. LH2 легко випаровується та швидко поширюється по всьому об'єму камери згоряння, що сприяє швидкому запуску двигуна. Незначна енергія та широкі межі займання воднево-повітряної суміші також сприяють швидкому запуску двигуна при різних температурах та на різних висотах. Водень при згорянні дає полум'я з низькою випромінювальною здатністю і згоряє без утворення нагару, що дозволяє збільшити ресурс та надійність двигунів. Мінімальна корозійна активність водню. Двигуни наLH2 практично не забруднюють довкілля. Теплопоглинаюча здатність водню в 30 (!) разів вище, ніж у гасу, що дозволяє використовувати його в системах охолодження елементів двигуна та ЛА. Підвищення ефективності охолодження турбін дозволяє підняти температуру перед турбіною та ступінь підвищення тиску в компресорі. Це призведе до значного зниження питомої витрати пального (15-20%) та підвищення питомої тяги двигуна. Високі кінетичні властивості LH2 як пального: швидке протікання сумішоутворення, стійкість до коливань ВЧ. Менша маса ЛА дозволяє зменшити навантаження на крило та розміри крила. Це знизить шум у районі аеропорту. Робота на LH2 дозволяє створювати компактні камери згоряння з рівномірнішим температурним полем на виході. Внаслідок більш високої теплоємності газу, температура на вході буде нижчою і т.д.
Літні якості ЛА на LH2 мають тенденцію до оптимізації при М» 6. Тобто чим вище швидкість літака і більша його маса, тим доцільніше перехід на водень. Більшість проблем, пов'язаних з використанням LH2 як авіаційного палива, пов'язані з його дуже низькою щільністю (63-70 кг/м3) та низькою температурою кипіння (20К). Отже, літакові баки повинні бути відносно великими і мати конфігурацію з мінімізованим ставленням поверхні до об'єму, щоб уникнути надлишкових втрат на випаровування та додаткову масу ізоляції. Також деякі конструкційні матеріали стають крихкими в LH2.
Розглянемо поступовий перехід авіації на кріогенне паливо. Він складається із трьох етапів.
1. Тільки кілька аеропортів мають кріогенні системи заправки. На даному етапі використовують звичайні ЛА та двопаливні ЛА. Останні є існуючі літаки з встановленим кріогенним баком.Необхідна маса водню в 2,8 рази менша за масу гасу, але через низьку щільність водню, потрібний обсяг баків вище в 4,3 рази. Таку кількість палива можна розмістити над салоном по всій довжині ЛА. Звичайно, можна розмістити бак у салоні, але це знизить кількість пасажирських місць та підвищить вартість квитка. Двопаливні ЛА можуть використовувати як гас, так і водень. Їхнє застосування виправдане про дві причини: а) вони не вимагають обов'язкової наявності кріогенної системи в аеропортах; б) стимулюють розвиток кріогенної інфраструктури.
2.Найбільші аеропорти мають кріогенні системи. Близько 50% пасажирів перевозиться воднем. На цьому етапі найпоширеніший тип ЛА – двопаливний. Гасові ЛА витісняються появою власне кріогенних ЛА, у тому числі гіперзвукових. Такі ЛА від початку спроектовані під використання водню. Більшість підйомної сили виробляється плоским фюзеляжем. Невеликі крила простягаються вздовж усього ЛА і закінчуються кермами висоти. Кріогенний бак розташований у центрі фюзеляжу по всій його довжині. По обидва боки від нього знаходяться пасажирські салони. Там де фюзеляж переходить у крила, розташовані два ВМД. У хвостовій частині чи під крилами розташовані гіперзвукові двигуни зовнішнього горіння. ВМД використовуються при зльоті-посадці та на швидкостях до 1,5-2М. Основний політ відбувається на швидкості 6-12м на висоті понад 18 км із використанням двигунів зовнішнього горіння. Вхідні та вихідні отвори ВМД у цей час закриті аеродинамічними щитками.
При невеликій зміні конструкції та встановленні ракетного двигуна, такий ЛА може вийти на орбіту. Він не має ВМД. Замість них розташовані баки з рідким киснем. Також можливе встановлення підвісних баків. ЛА стартує з будь-якого аеропорту за допомогою РД. Використовуючипідйомну силу фюзеляжу та крила, він розганяється до 2М. Далі включаються авіаційні двигуни зовнішнього горіння (вони використовують кисень із атмосфери). ЛА досягає максимально можливої висоти та швидкості, і знову вмикається ракетний двигун.
3. Усі аеропорти мають кріогенні системи. Двопаливні ЛА доживають свій вік на ближніх дистанціях, що витісняються кріогенними ЛА.
Розвиток водневої інфраструктури також ділиться на три етапи.
1. На території аеропортів зводяться сховища для рідкого водню (такі споруди вже існують). Доставка здійснюється залізничним транспортом із найближчих LH2 заводів. Ті самі або отримують газоподібний водень самі, або трубопроводами. Заправка ЛА проводиться через кріогенні трубопроводи, або з автоцистерн. Всі описані об'єкти вже існують та успішно використовуються.
2.На узбережжях океанів зводяться ядерні заводи з виробництва газоподібного водню. Будуються магістральні трубопроводи під водень чи модернізуються наявні. Зароджується єдина воднева промисловість. Зауважимо, що передача енергії у вигляді водню дешевша, ніж передача електроенергії. Отже, водень можна використовувати на міських електростанціях з урахуванням списаних ВМД чи існуючих теплових станціях. Це значно покращить екологію великих міст. Транспортування газоподібного водню безпечніше, ніж природного газу, тому що при витоку водень швидко піднімається вгору і розчиняється в атмосфері, а природний газ накопичується в низинах, утворюючи вибухонебезпечні суміші (в Україні згоріли два пасажирські потяги наприкінці 80-х). Воднева індустрія зробить енергетику та економіку країни незалежною від нафтових криз та цін на нафту. Будь-яка країна може виробляти водень, якщо вона використовує океанічну воду.(Ця вода містить паливо для реактора). Великі аеропорти мають власні заводи з виробництва LH2. Вони одержують газоподібну сировину з трубопроводів. Частина LH2 транспортується на найближчі аеропорти, які мають власного виробництва. Частина газоподібного водню використовується для отримання електроенергії для аеропорту та міста.
3.Всі аеропорти мають власний завод LH2. Великі аеропорти запускають та приймають вантажі з орбіти.
Розглянемо чотири типи кріогенних двигунів.
2. Кріогенні газотурбінні двигуни. Такі двигуни створені під використання водню, але мають як прототипи звичайні газотурбінні двигуни. На відміну від них, кріогенні двигуни мають невелику камеру згоряння, більший ресурс турбіни, високий рівень підвищення тиску в компресорі. Воднева система аналогічна двопаливним двигунам. Кріогенні газотурбінні двигуни будуть використовуватися на дозвукових літаках, а також на гіперзвукових лайнерах як проміжний двигун (зліт - посадка).
3. Гіперзвукові двигуни зовнішнього горіння. З попередніми типами їх пов'язує лише система подачі палива. У всьому іншому – це зовсім інший пристрій. Він не має частин, що рухаються (компресора, турбіни). Роль проточної частини двигуна виконує корпус ЛА. Паливо подається безпосередньо на поверхню ЛА, де самозаймається через високу температуру повітря.