«КПД будет очень высоким»: каковы перспективы развития российской и мировой водородной авиации

В текущем году в России планируется завершить научно-исследовательские работы по авиационной гибридной силовой установке (ГСУ) с использованием водорода в качестве топливного элемента. Об этом сообщила пресс-служба Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).

«В планах на 2022 год — отработка электрической части на «Сигме-4Э», а на следующем этапе силовая установка самолёта станет гибридной за счёт установки водородного топливного элемента. Его масса будет сопоставима с массой аккумуляторной батареи», — говорится на сайте института.

• Электролёт «Сигма-4Э»
• © ЦИАМ

«Её (ГСУ. — RT) особенностью станет использование не только более мощного привода на базе двигателя ВК-2500, но и применение жидкого водорода в качестве топлива и хладагента. С понижением температуры мощность электрических машин на ВТСП (высокотемпературной сверхпроводимости. — RT) практически утраивается при сохранении массогабаритных характеристик», — уточнили в ЦИАМ.

В комментарии RT заместитель главного редактора журнала «Авиапанорама» заслуженный военный лётчик России Владимир Попов констатировал, что проекты ЦИАМ соответствуют актуальным потребностям современной авиации. По его мнению, институт им. Баранова располагает необходимой базой для реализации намеченных планов.

«Водородный топливный элемент может значительно улучшить характеристики гибридных силовых установок, особенно перспективным представляется его применение в связке с электродвигателем. КПД от использования водорода в качестве топлива будет очень высоким. Экономичность, дальность полёта таких воздушных судов должна значительно возрасти», — пояснил Попов.

«Перспективное направление»

Ранее о старте работ по созданию энергетических установок авиационного типа на водородном топливе объявила АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» (ОДК, входит в «Ростех»).

Выступая на полях Международного авиационно-космического салона — 2021, генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин назвал применение водородного топлива в авиации одним из наиболее перспективных направлений.

«Мы рассматриваем две основные технологии (применения Н₂. — RT): непосредственное сжигание водородного топлива в модифицированных газовых турбинах и электрохимическое преобразование топлива в электрическую энергию с использованием топливных элементов», — сказал Шмотин.

Также по теме

«Большое достижение российской промышленности»: построенный с нуля ракетоносец Ту-160М совершил первый полёт

Первый в истории современной России построенный с нуля стратегический ракетоносец Ту-160М совершил первый полёт, сообщили в...

Освоение водорода как топлива для авиатехники началось ещё несколько десятилетий назад. Пионером в этой области был Советский Союз. Усилия советской науки и промышленности вылились в создание летающей лаборатории Ту-155 на базе пассажирского самолёта Ту-154. Экспериментальная машина получила двигатель НК-88, способный работать в том числе на криогенном топливе — водороде, который перешёл в жидкое состояние под воздействием экстремально низких температур. На тот момент разработка советских инженеров не имела аналогов в мире.

Опрошенные RT эксперты отметили, что тогда инженеры попытались создать силовую установку, которая бы широко использовала колоссальный энергетический потенциал, заложенный в Н₂.

Как известно, водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин по теплопроводности и является лидером по этому показателю среди всех газообразных веществ. При этом Н₂ признан экологически чистым топливом, так как при сгорании выделяет воду и незначительное количество оксидов азота.

Однако водород взрывоопасен — детонация может произойти при концентрации в окружающей среде Н₂ на уровнях от 4 до 75%. Хранение и транспортировка этого газа может осуществляться только в жидком состоянии, что требует поддержания крайне низких температур. Советские инженеры учли эти обстоятельства и потому существенно переработали компоновку базового лайнера, чтобы Ту-155 мог использовать криогенное топливо.

«В хвостовой части фюзеляжа, где располагался пассажирский салон, был оборудован герметичный отсек, и в нём установлен криогенный бак на 20 кубометров жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией, которая долгое время сохраняет в баке температуру ниже -253 °C», — приводятся на сайте «Ростеха» слова заместителя генерального директора ПАО «Туполев» по проектированию Валерия Солозобова, принимавшего участие в создании Ту-155.

Жидкий водород в экспериментальном самолёте подавался при помощи высоконапорного турбонасосного агрегата, а для обеспечения безопасности из отсека с криогенным баком была убрана почти вся электропроводка, что исключило возможность образования искры.

• Экспериментальный самолёт Ту-155
• РИА Новости
• © Владимир Родионов

Помимо этого, инженеры спроектировали и установили дренажную систему, которая отводила пары водорода из бака на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества. В общей сложности использование жидкого водорода потребовало создания более 30 дополнительных бортовых систем.

Также по теме

Арктическая миссия: как противолодочные самолёты Ту-142 обеспечивают стратегическую безопасность России

Экипажи дальних противолодочных самолётов Ту-142 продолжат совершать длительные полёты над акваторией Арктики и Атлантики в 2022 году,...

Однако Ту-155 так и не превратился в полностью водородный самолёт. Из трёх двигателей летающей лаборатории на Н₂ работал один. Первый полёт машина совершила 15 апреля 1988 года. В 1989 году лайнер поднялся в воздух на другом типе альтернативного топлива — сжиженном природном газе. О дальнейшей судьбе Ту-155 в открытых источниках не сообщается, но в эксплуатацию инновационный самолёт не пошёл.

В настоящее время в мире, помимо ЦИАМ и ОДК, внедрением водородных технологий в авиатехнику занимается франко-германский концерн Airbus, один из ведущих мировых производителей пассажирских и транспортных самолётов. В компании уверены, что в будущем лайнеры будут непременно заправляться так называемым зелёным водородом, на который человечество возлагает большие надежды для достижения углеродной нейтральности.

Однако на сегодняшний день не разработан оптимальный способ извлечения «зелёного водорода», который образуется в ходе электролиза — энергоёмкого и затратного с финансовой точки зрения процесса. В России над сокращением издержек работает «Роснано», в Германии — Siemens. Обе компании видят выход прежде всего в совершенствовании технологий ветряной генерации.

«Текущая повестка дня говорит о том, что человечество стремится перейти именно на «зелёный водород», но пока наращивание его производства экономически не слишком целесообразно. Чтобы водород стал «зелёным», электроэнергия должна поступать из возобновляемых источников — это ветряки или солнечные панели, которые по понятным причинам не везде имеет смысл устанавливать», — пояснил в беседе с RT заместитель гендиректора Института национальной энергетики Александр Фролов.

Водородная инфраструктура

Тем не менее в Airbus с оптимизмом смотрят на развитие технологий извлечения «зелёного водорода». Концерн ожидает, что его доля в общем объёме производства Н₂ будет возрастать, а стоимость электролиза — снижаться. Как ожидается, в результате к 2050 году «зелёный водород» станет одним из самых распространённых энергоносителей на планете. Концерн рассчитывает вывести на рынок самолёты, работающие на этом виде топлива, к 2035 году.

В октябре 2020 года Airbus опубликовал концептуальные изображения трёх перспективных пассажирских машин различной размерности. Для создания водородных летательных аппаратов концерн планирует адаптировать технологии из автомобильной и космической промышленности, где уже применяется Н₂. Также инженеры должны решить проблемы с хранением водорода, снизить массу оборудования для эксплуатации нового топлива и уменьшить его стоимость.

Airbus считает, что в перспективе аэропорты будут получать водород от собственных предприятий по электролизу. После извлечения Н₂ будет охлаждаться до безопасного жидкого состояния.

• Концептуальные изображения трёх пассажирских машин от Airbus
• © AIRBUS

Также по теме

«Архиактуальное направление»: в чём уникальность тяжёлого российского БПЛА «Гелиос-РЛД»

Дебютный полёт беспилотника радиолокационного дозора «Гелиос-РЛД» должен состояться в 2024 году. Об этом министру обороны РФ Сергею...

Амбициозные планы по развитию водородной авиации вынашивает и промышленность Соединённого Королевства. В декабре прошлого года британский Институт аэрокосмических технологий представил проект FlyZero, предусматривающий появление водородного широкофюзеляжного лайнера на 279 пассажиров.

Предполагается, что, как и Ту-155, самолёт будет использовать жидкий водород, хранящийся в топливных баках при температуре примерно -250 °C. По прогнозу британских специалистов, с середины 2030-х годов авиатехника на водороде будет иметь лучшие эксплуатационные качества, чем традиционный воздушный транспорт.

По мнению Владимира Попова, дальнейшее развитие технологий применения водородного топлива действительно может привести к тому, что самолёты на Н₂ превзойдут по ряду параметров машины с газотурбинными силовыми установками. Тем не менее достижение конкретных практических результатов на поприще водородной авиации — это перспектива в лучшем случае ближайших 15—20 лет, полагает собеседник RT.

«Перспективы применения водородного топлива в комплексе с мощными высокоэффективными аккумуляторами выглядят многообещающе. Но стоит понимать, что должна быть решена масса технических вопросов. И главное здесь — это безопасность. Инженерам необходимо создать такой самолёт, в котором все аспекты пожароопасности и взрывоопасности были бы продуманы на самом высоком уровне», — подчеркнул Попов.

Александр Фролов также считает, что для создания конкурентоспособного самолёта на Н₂ ещё не накоплена достаточная техническая база. По словам эксперта, помимо обеспечения безопасности, препятствием для развития водородной авиации являются не решённые до конца вопросы транспортировки и хранения водорода.

«Мне сложно представить, как конкретно будет организована водородная инфраструктура, связанная с авиасообщением. Но могу предположить, что большое количество технических (инженерных) проблем будет уходить с повестки дня по мере становления самой системы водородной энергетики. А с этим вопросом, как мне кажется, в мире многие торопятся», — заключил Фролов.