Журнал АВИАГЛОБУС № 2 (118), Февраль-2009
С.Л. ЧЕРНЫШЕВ
– директор ФГУП «ЦАГИ»
И.Е. КОВАЛЕВ
– заместитель директора «ЦАГИ»
по управлению ФЦП
В.И. МАВРИЦКИЙ
– начальник НИЦ «ЦАГИ»
В том, что альтернативное топливо нужно авиации, сейчас сомнений, кажется, нет ни у кого. Другой вопрос – в каком направлении двигаться. Весьма перспективен в качестве «топлива будущего» водород, но российские ученые предлагают «переходить на газ» постепенно.
Использование в качестве авиационного топлива различных газов (водорода, метана, пропана и др.) позволит получить на летательных аппаратах (ЛА) много преимуществ:
· уменьшить запас топлива на борту;
· осуществить эффективное охлаждение двигателя, поднять температуру газа перед турбиной и повысить, тем самым, КПД силовой установки;
· создать комфортные тепловые условия работы бортового оборудования, способствуя повышению его надежности и снижению массы;
· значительно снизить расход забортного воздуха, ухудшающий аэродинамические характеристики ЛА, и расход воздуха, отбираемого от двигателей, для систем кондиционирования кабины экипажа и салона пассажиров, систем теплоотвода из отсеков бортового оборудования и др. теплонапряженных частей ЛА, что дает возможность уменьшить массу этих систем и сократить затраты топлива на обеспечение их работоспособности;
· увеличить протяженность ламинарного пограничного слоя за счет охлаждения омываемой поверхности ЛА, что дает возможность повысить его аэродинамическое качество;
· уменьшить загрязнение окружающей среды, особенно в зоне аэропортов: в продуктах сгорания значительно сократится содержание углерода, исчезнут сернистые соединения и тяжелые углеводороды, склонные к образованию канцерогенных и мутагенных продуктов, и т.п..
Плохо то, что использование различных газовых топлив может существенным образом повлиять на конструкцию, энергетику, экономику и эксплуатационные особенности ЛА. Причем чем ниже температура кипения и уже температурный диапазон жидкого состояния исследуемого газа, тем большее количество проблем придется решать при проведении НИОКР и, следовательно, тем дороже будет обходиться его практическое внедрение. Так что работы перспективнее всего вести поэтапно.
В качестве первого шага решения этой проблемы в ЦАГИ был проведен сравнительный анализ теплофизических и эксплуатационных характеристик вышеуказанных газовых топлив и на его основе предложена стратегия проведения исследований и, особенно, внедрения таких топлив в авиационную технику в условиях ограниченного финансирования.
Среди вышеуказанных альтернативных газовых топлив наилучшие энергетические и хладоресурсные характеристики имеет водород (Н2). Его теплота сгорания на единицу массы в 2,7 раза больше, чем у авиакеросина [график 1]. Он обладает уникальными характеристиками горения по скорости распространения пламени, концентрационным пределам воспламенения и другим показателям. При сгорании водорода образуется экологически чистый продукт - вода, а применение водорода не нарушает круговорота вещества в природе, так как цикл его получения и использования является замкнутым и имеются неограниченные ресурсы сырья для его производства.
В общем, водород - это уникальное топливо для всех видов транспортных средств, и его массовое использование может не только изменить их облик и технические характеристики, но и, возможно, всю техногенную структуру человеческого общества.
Однако водород обладает некоторыми особенностями, которые на современном уровне развития технологии ограничивают возможность его широкого применения - и не только в авиации. В первую очередь это связано с тем, что водород требует определенных затрат для своего получения: он производится или методом электролиза воды (а это большой расход электроэнергии), или разложением углеводородов. И то, и другое связано еще и с выбросом в атмосферу большого количества экологически грязных продуктов сгорания и расходом дефицитного в перспективе невозобновляемого органического сырья. Поэтому водород в настоящее время нельзя считать экологически чистым топливом, а его цена за тепловую единицу еще долго будет превышать аналогичную цену у других топлив. Широкого использования водородного топлива следует, видимо, ожидать только при наличии большого избытка экологически чистой энергии. Крупномасштабное использование водорода будет также ограничиваться необходимостью создания принципиально новой наземной инфраструктуры, что связано со значительными капитальными вложениями.
До сих пор водород в качестве топлива применялся только в космической ракетной технике и на экспериментальных ЛА. Но из-за значительной разности подходов к разработке и эксплуатации таких машин и ЛА гражданской авиации опыт, имеющийся в космической технике, сложно использовать. А трудностей с водородом предостаточно.
Большую эксплуатационную проблему может создать его низкая температура кипения (-250оС), узкий (9оС) температурный диапазон жидкого состояния, низкая плотность (71кг/м3)и другое. Это вызывает необходимость значительного увеличения размеров топливных баков ЛА, использования высокоэффективной и высоконадежной теплоизоляции для их защиты, а также решения сложных конструкционных и прочностных вопросов, связанных с большим перепадом температур, температурными напряжениями, температурными мостами и т.п.
С аналогичными проблемами столкнутся исследователи и конструкторы при разработке ЛА на метане (СН4), т.к. он также имеет криогенную температуру кипения, узкий диапазон нахождения в жидкой фазе (21оС) и малую плотность.
Поэтому в настоящее время даже частичный перевод авиации на криогенное топливо, какими являются водород и метан, представляет сложную научно-техническую и организационную проблему. Все это требует довольно больших затрат на решение прочностных, материаловедческих, конструктивных, температурных, аэродинамических, эксплуатационных, аэродромных, транспортных и других проблем, с учетом их реализации на низком (криогенном) температурном уровне. Может быть поэтому даже такая богатая страна, какой является США, которая исследует проблему использования водорода в авиационной технике где-то с середины 60-х годов, так и не построила даже летающей лаборатории.
В настоящее время, в условиях ограниченных финансовых ресурсов, нашей стране необходимо выработать новую стратегию исследований по внедрению газо-топливной технологии в авиационную технику, а также соразмерить имеющиеся финансовые возможности и эффект, в т.ч. коммерческий, который может быть получен от реализации достигнутых результатов.
Представляется целесообразным проведение поэтапных действий, направленных на последовательное внедрение альтернативных газовых топлив в авиацию, с постепенным понижением осваиваемых температур. При этом многие эксплуатационные особенности использования газовых топлив, связанные с хранением и с охлаждением перед заправкой, с захолаживанием бортовых емкостей, с заправкой, с элементами техники безопасности при обращении и т.п., проще, легче и дешевле исследовать на более высоком температурном уровне (используя этот уровень в качестве модели топлива с более низкой температурой кипения).
В этой же температурной последовательности на различных образцах и даже экспериментальных ЛА могут быть испытаны и отработаны отдельные конструктивные элементы и агрегаты планера, силовых установок и оборудования (бортового и наземного), а также исследованы вопросы предупреждения и локализации последствий аварийных ситуаций (разгерметизация баков, повреждение теплоизоляции и т.п.).
Исследования по внедрению сжиженных газовых топлив предлагается условно разделить на четыре этапа, а работы проводить на моногазах. Это обойдется дешевле, т.к. их свойства достаточно хорошо изучены. Практическая же реализация результатов исследований более целесообразна при использовании различных композиций углеводородных газов, т.к. в ряде случаев технология их получения оказывается значительно дешевле.
Исследования первого этапа в настоящее время практически закончены. Бутан (С4Н10) - газ, использование которого возможно во всем температурном диапазоне, в котором в настоящее время эксплуатируется вся авиационная техника. По своим теплофизическим свойствам он наиболее близок к бензину и авиакеросину [график 2]. По сравнению с авиакеросинами бутан обладает более высокой термостабильностью и менее агрессивен по отношению к конструкционным, резинотехническим и уплотнительным материалам. В смеси с пропаном бутан уже много лет используется в качестве топлива в автомобильных двигателях и бытовых приборах.
В ходе практической реализации результатов исследований по первому этапу выяснилось, что экономически целесообразнее использовать в качестве топлива на ЛА не бутан, а смесь из нескольких газов (пропана, бутана, пентана, гексана и др.) – авиационное сконденсированное топливо (АСКТ).
О использовании АСКТ на вертолетах уже писалось на страницах Журнала АВИАГЛОБУС (см. № 12 (116), Декабрь-2008 – http://aviaglobus.ru/download/aviaglobus-2008/aviaglobus_2008-12_116/), а исследования показали возможность и эффективность перевода на газ не только вертолетов, но и самолетов, как существующих (Ил-114), так и перспективных (Ту-156). Такую разновидность сжиженного газового топлива, как АСКТ-Б (обеспропаненное АСКТ), можно заливать непосредственно в плоские крыльевые топливные баки региональных самолетов до температуры окружающей среды на земле от +5оС и ниже (такие температуры в некоторых районах Сибири и Севера бывают до 10 месяцев в году). При этом увеличение массы пустого самолета за счет дополнительных агрегатов газо-керосиновой топливной системы будет минимальным - например, для Ил-114 не превысит 20-25 кг.
Реализация первого этапа внедрения в авиацию газотопливной технологии позволит комплексно решить ряд энергетических, экономических, экологических, социальных и др. проблем, имеющих важное значение для России. Коммерческие результаты от внедрения АСКТ дадут возможность получить дополнительные средства для продолжения исследовательских работ. Главным же научно-техническим результатом использования первого этапа предлагаемых исследований является приобретение опыта массовой эксплуатации ЛА на газовых топливах в штатных условиях.
Следующим шагом исследований по внедрению в авиационную технику газотопливной технологии предполагается использование пропана, обладающего весьма благоприятными эксплуатационными характеристиками, допускающими работать с ним как при нормальных температурных условиях, так и при криогенных, что позволит плавно перейти к исследованию проблем, обусловленных криогенным уровнем использования остальных газовых топлив.
Пропан (С3Н8) входит в состав попутного нефтяного и природного газов, а также газов нефтепереработки, из которых он может быть выделен в количествах, достаточных для массового применения в авиационной технике. Теплота сгорания пропана на ~7% выше, чем у авиакеросина. Температура его кипения при нормальном давлении -420С, температура замерзания ниже, чем у метана (-1880С), таким образом температурный диапазон жидкого состояния близок к авиакеросину (1450С). Хладоресурс пропана, приходящийся на единицу массы, соизмерим с хладоресурсом метана [график 3]. Значительная часть этого хладоресурса, в отличие от метана и водорода, приходится на жидкую фазу, что дает возможность создавать компактные бортовые охладительные системы. Плотность сжиженного пропана в зависимости от температуры варьируется в пределах от 585 до730 кг/м3.
Для размещения пропана на борту ЛА по сравнению с авиакеросином потребуется незначительное (примерно на 4-8%) увеличение объема топливных баков при равной энергоемкости. Таким образом, имеется потенциальная возможность модифицировать существующие ЛА и их двигатели для работы на пропане. Топливная система ЛА для использования пропана также будет мало отличаться от штатной (керосиновой).
Широкий температурный диапазон жидкого состояния значительно облегчает решение проблем с транспортировкой и хранением пропана в наземных условиях и использования его на борту ЛА. Он может храниться в жидком виде практически без потерь в теплоизолированных емкостях при нормальном давлении, или без теплоизоляции при относительно небольшом избыточном давлении (1,6 МПа).
По сравнению с авиакеросином пропан, так же как и бутан, обладает достаточно высокой термостабильностью. Он менее агрессивен, чем авиакеросин, по отношению к конструкционным, резинотехническим и уплотнительным материалам.
Пропан обладает еще одним серьезным преимуществом перед чисто криогенными топливами - метаном и водородом. Как указывалось выше, его можно хранить на аэродромах и на стартовых площадках практически без потерь в нетеплоизолированных шаровых или цилиндрических ёмкостях, а охлаждать до криогенных температур только то количество пропана, которое необходимо для заправки очередного ЛА. При такой технологии отпадает необходимость иметь в аэропорту большие криогенные емкости и мощные системы поддержания топлива в криогенном состоянии. Все это может значительно упростить и удешевить технологические операции при использовании пропана в качестве топлива не только в авиационной, но и в ракетно-космической технике.
Более низкая, чем у метана, температура плавления и широкий температурный диапазон жидкого состояния делают пропан поистине уникальным веществом для всесторонних исследований, связанных с поиском оптимальных конструкторских, технологических и эксплуатационных решений при создании ЛА с криогенными топливами. В частности, при проведении исследований широкий температурный диапазон жидкого состояния пропана позволяет постепенно понижать его температуру, что даст возможность своевременно выявлять и предотвращать развитие нежелательных явлений в процессе испытаний. Например, опасность возникновения аварийной ситуации (в частности, при нарушении теплоизоляции) из-за перегрева пропана маловероятна, в то время как для метана такая опасность весьма реальна и чревата самыми серьезными последствиями.
Это же свойство пропана позволяет более безопасно производить доводку новой авиационной техники, рассчитанной на использование криогенного топлива, начиная с умеренно низких температур и т.п.
В плане практической реализации результатов исследований этого этапа экономически целесообразнее, видимо, будет использовать в качестве топлива на ЛА не чистый пропан, а, также как и в предыдущем случае, смесь пропана, бутана и других углеводородов с низкой температурой кристаллизации. Эта смесь, которую условно можно назвать «АСКТ-К» (криогенное АСКТ), обладает практически теми же свойствами, включая криогенные, что и пропан, но будет иметь меньшую стоимость за счет более простой технологии производства и расширения сырьевой базы. Такие показатели делают криогенное топливо из легких парафиновых углеводородов весьма привлекательными в эксплуатационном и коммерческом отношениях.
Таким образом, при внедрении в авиацию результатов второго этапа этих исследований можно модифицировать существующие и создавать новые ЛА с улучшенными летно-техническими и экологическими характеристиками. Коммерческие результаты от внедрения пропана и АСКТ-К также дадут возможность получить прибыль и дополнительные средства для продолжения исследовательских работ. Главным научно-техническим результатом внедрения второго этапа предлагаемых исследований является приобретение опыта массовой эксплуатации ЛА на криогенных топливах в штатных условиях с использованием пропана - относительно более безопасного в эксплуатационном отношении газа, чем метан и водород.
Очередным объектом исследований по внедрению в авиационную технику сжиженных углеводородных газов и водорода последует метан.
Главное достоинство метана заключается в том, что являясь основным компонентом природного газа, он обладает гораздо большей сырьевой базой, чем бутан и пропан.
Теплота сгорания метана (СН4) на ~15% выше, чем у авиакеросина. Температура его кипения при нормальном давлении -162оС, температура замерзания -183оС, а температурный диапазон жидкого состояния 21оС. Хладоресурс метана, приходящийся на единицу массы, соизмерим с хладоресурсом пропана. Системы кондиционирования воздуха на метане будут значительно тяжелее пропановых, т.к. основная доля хладоресурса метана находится в газовой фазе. Плотность сжиженного метана составляет 425-455 кг/м3. По теплоте сгорания, приходящей на единицу объема, метан уступает пропану примерно в 1,5 раза, по хладоресурсу - в 1,3 раза, по плотности в 1,5 - 1,6 раза.
Поэтому для размещения на борту ЛА метанового топлива по сравнению с авиакеросином потребуется увеличить примерно в 1,5-1,6 раза объем топливных баков (при равной энергоемкости). Таким образом, в отличие от пропана, возможность модификации существующих ЛА для работы на сжиженном метане весьма проблематична. Двигатели потребуют значительных переделок. Метановая топливная система ЛА также будет значительно сложнее штатной. Могут возникнуть проблемы (если они не будут решены на предыдущих этапах) с конструкционными, уплотнительными и теплоизоляционными материалами, а также с наземной инфраструктурой.
Проведенный анализ показал, что использование метанового топлива приведет к необходимости решения фактически тех же сложных температурных, прочностных, конструктивных, аэродинамических, схемных, эксплуатационных, аэродромных, транспортных и других проблем, что и при использовании сжиженного водорода. Это лишний раз подтверждает правомерность предлагаемого этапного подхода в исследованиях по внедрению газотопливной технологии в авиационную технику.
Не имея опыта эксплуатации ЛА вначале на АСКТ, а затем и на пропане, вряд ли удастся в сжатые сроки и с относительно малыми затратами внедрить в массовом порядке в авиационную технику криогенное метановое, а затем и водородное топливо.
Как вариант практической реализации результатов исследований использования метана в качестве топлива можно представить смесь, состоящую в основном из метана и пропана. Оптимальное соотношение составляющих этой смеси необходимо установить в ходе исследований.
Эта смесь, которую условно можно назвать «АСКТ-М», по сравнению с метаном будет иметь более высокую плотность, более широкий диапазон жидкого состояния и меньшую стоимость.
Таким образом, в условиях ограниченности экономических ресурсов и необходимости при внедрении газотопливной технологии в авиационную технику решать многочисленные, сложные, дорогостоящие научные и технические проблемы, обусловленные теплофизическими и эксплуатационными особенностями газовых топлив, четко просматривается логическая последовательность выполнения исследований в виде четырех этапов: бутан->пропан->метан->водород. В таблице в обобщенном виде представлены характеристики каждого этапа, подтверждающие целесообразность предложенной последовательности внедрения газовых топлив в авиационную технику. Предлагаемая этапность исследований и внедрения газовых топлив, исходя из приведенного выше анализа, представляется технически и экономически весьма обоснованной.
В этом случае будет обеспечена возможность более быстрого внедрения в промышленность России результатов научных достижений, приобретенных на каждом этапе, и получения от этого дополнительных средств для проведения дальнейших исследований на основе самоокупаемости. Кроме того, это позволит при значительно меньших затратах изучить особенности и приобрести опыт эксплуатации газотопливных ЛА на относительно высоком уровне температур, который можно затем использовать при создании авиационной техники, использующей топлива на следующем, более низком температурном уровне, вплоть до применения жидкого водорода (если человечество к тому времени не откроет более эффективный или более приемлемый в эксплуатационном отношении аккумулятор энергии).
В конечном итоге, целесообразность и перспективы широкого использования какого-либо из газов или их смесей в авиатехнике определит экономика. Ответ должны дать последовательное комплексное изучение и анализ всех технико-экономических аспектов применения рассматриваемых газов, начиная с разработки и производства ЛА и самого газового топлива и заканчивая особенностями эксплуатации ЛА, использующих газовые виды топлив.
Эти исследования должны также включать анализ специфики создания наземной инфраструктуры обслуживания, учет возможной динамики изменения цен газовых топлив относительно цены авиакеросина и т.п. Поэтому каждое из рассматриваемых газовых топлив может иметь свою нишу в авиатранспортной системе, если при определенных требованиях обеспечит необходимый эффект при меньших удельных затратах.
комментарии (0):
ЭКСПОРТ НОВОСТЕЙ/RSS