Ту-155 − экспериментальная модификация самолета Ту-154, в основу которой заложена проверка работоспособности аппарата на двигателях, которые использовали криогенное топливо. Первый полет совершил в 1988 году. За все время построено около 100 экземпляров, из которых 5 работали на жидком водороде.
История
В связи с наступившим энергетическим кризисом 70-х годов авиапромышленности пришлось рассматривать альтернативные типы топлива и их возможность применения на летательных аппаратах.
Академия наук СССР вместе со специалистами, учеными различных институтов развернула программу по внедрению водородного топлива как энергетической базы в различные отрасли народного хозяйства. В авиапромышленности данная тема получила название «Холод».
На ММЗ «Опыт» начали постройку летающей лаборатории, которая бы потребляла как топливо жидкий водород. Базовой моделью для этой задачи стал самолет Ту-154Б. Программа способствовала также улучшению экологической ситуации. Для разработки летающей лаборатории понадобилось провести огромный объем научно-исследовательских и проверочных работ. Дефицит бензинового и керосинового топлива на рынке требовал его замены природным газом. В авиации он приемлем только в сжиженном состоянии (СПГ).
Двигатели на жидком водороде имели огромный потенциал развития. Топливо в резервуарах имело постоянную температуру -253 °C. С 1989 г. стали применять двигатели, работающие на СПГ (температура -162 °C).
Плюсом потребления СПГ в авиации является не только экологическая чистота, но и экономичность. При росте цен на нефть стоимость сниженного природного газа не увеличится. Теплотворная способность данного вида топлива на 15% выше, нежели углеродных аналогов (бензин и керосин).
Ту-155 видео
Криогенный авиакомплекс позволил проводить исследования с огромным количеством криогенного топлива. Летающую лабораторию Ту-155 сделали путем переделки самолета Ту-154 (бортовой номер 85035).
Первый полет самолета Ту-155 произошел 15.04.1988. Руководил машиной в этот день летчик-испытатель В. Севанакаев. Был проведен ряд испытаний, результатом которых стало не только подтверждение эффективности использования альтернативного топлива, но и 14 мировых рекордов авиации. Ту-155 успешно провел дальние международные перелеты «Москва – Братислава − Ницца» и «Москва − Ганновер».
Отличительные черты конструкции
В связи с перестройкой самолета на вероятность использования криогенного топлива в состав конструкции внесли следующие коррективы:
В одном из отсеков самолета разместили топливный бак, имеющий высокоэффективную теплоизоляцию для локализации жидкого водорода или СПГ.
Доработали топливную систему самолета. Топливный комплекс имел в расположении агрегаты системы подачи горючего в двигатель, систему стабилизации давления внутри бака с предохранительным аварийным устройством, систему наддува бака и циркуляции, аварийного слива топлива. В систему подачи топлива входили струйные и центробежные насосы, теплоизолированные трубопроводы, криогенные клапаны и аппараты.
Самолет снабдили тремя дополнительными системами:
гелиевая – отвечала за управление устройствами силовой установки;
азотная – замещала обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждала экипаж об утечке криогенного топлива;
система, отвечающая за отсутствие воздуха в теплоизоляционных полостях.
Экспериментальный штатный двигатель НК-88 разработки конструктора Н.Д. Кузнецова.
Для проведения экспериментальных работ и технического обслуживания был разработан криогенный авиационный комплекс. В его состав вошли следующие системы:
пневмопитания;
заправки криогенным топливом;
газового анализа;
электроснабжения;
противопожарная система орошения водой;
телевизионного контроля;
проверки качества потребляемого топлива.
Технические идеи и решения, которые были применены в создании Ту-155, внесли огромный вклад в советскую науку. Страна получила важнейший опыт работы проектирования систем, работающих на криогенном топливе, которые в то время называли технологиями будущего. Освоены новые методы исследования, создана экспериментальная база летательных аппаратов, потребляющих в качестве горючего сниженный природный газ или водород. Специально под этот тип топлива спроектированы противопожарные системы.
На базе самолета Ту-155 было потом построено много моделей авиалайнеров и грузовых самолетов, несущих криогенные силовые установки. Направление по внедрению альтернативного вида топлива в авиации с начала 90-х годов обрело международный характер. В 90-х годах построена мощная кооперационная система предприятий, делающая криогенные силовые установки для различных отраслей промышленности и транспорта.
Ту-155 характеристики:
| Модификация | |
| Размах крыла, м | 37.55 |
| Длина самолета,м | 47.90 |
| Высота самолета,м | 11.40 |
| Площадь крыла,м2 | 202.00 |
| Масса, кг | |
| пустого самолета | 52000 |
| максимальная взлетная | 98000 |
| Тип двигателя | 2 2 НК-8-2 + 1 НК-88 |
| Тяга, кгс | 3 х 10500 |
| Крейсерская скорость, км/ч | 850 |
| Практическая дальность, км | 2800 |
| Продолжительность полёта на криогенном топливе, ч. | 2 |
| Практический потолок, м | 11900 |
| Экипаж, чел | 4 |
На территории ЛИИ им.Громова в подмосковном Жуковском стоит самолет с надписью на борту Ту-155. Эта уникальная машина - летающая лаборатория для отработки систем и двигателя, использующих криогенное топливо. Работы в этом направлении велись в конце 80-х годов. Ту-155 стал первым в мире самолетом, использующим в качестве топлива жидкий водород и сжиженный природный газ. Прошло 27 лет с первого полета этой необычной машины. И сейчас она тихо стоит среди списанных самолетов. Несколько раз ее хотели разрезать на металл. Так чем же уникален это самолет?
1.
Прежде чем говорить об этом самолете, стоит пояснить, что такое криогенное топливо и чем оно отличается от углеводородного. Криогеника -- это изменения свойств различных веществ в условиях крайне низких температур. То есть криогенное топливо означает “рожденное холодом”. Речь идет о жидком водороде, который хранится и перевозится в жидком состоянии при очень низких температурах. И о сжиженном природном газе, обладающем так же очень низкими температурами.
По сравнению с керосином, жидкий водород имеет ряд преимуществ. Он обладает втрое большей теплотворной способностью. То есть при сжигании равных масс, у водорода выделяется больше тепла, что напрямую влияет на экономические характеристики силовой установки. Кроме того, при его использовании в атмосферу выделяется вода и совсем небольшое количество окислов азота. Это делает силовую установку безвредной для атмосферы. Однако водород является очень опасным топливом. В смеси с кислородом он чрезвычайно горюч и взрывоопасен. Обладает исключительной проникающей способностью, а храниться и транспортироваться может только в сжиженном состоянии при очень низких температурах (-253°C).
Эти особенности водорода представляют собой достаточно большую проблему. Именно поэтому совместно с жидким водородом в качестве авиационного топлива рассматривался и природный газ. По сравнению с водородом он значительно дешевле и доступнее. Его можно хранить в сжиженном состоянии при температуре -160°C, а по сравнению с керосином, он обладает на 15% большей теплотворной способностью. Он в несколько раз дешевле керосина, что делает его также экономически выгодным в качестве авиационного топлива. Однако природный газ так же пожароопасен, хоть и в меньшей степени, чем водород. Именно с этими трудностями предстояло справиться инженерам ОКБ им.Туполева при создании экспериментального самолета Ту-155.
2.
Авиационные конструкторы впервые столкнулись с криогенной техникой. Поэтому проектирование шло не только в тиши конструкторских залов, но и в исследовательских лабораториях. Конструкторы шаг за шагом внедряли новые конструкторские решения и технологии, обеспечивающие создание принципиально новых систем самолета, криогенной силовой установки и систем, позволяющих ее безопасную эксплуатацию.
3.
Летающая лаборатория создавалась на базе серийного Ту-154, доработанного под стандарт Ту-154Б. Бортовой номер СССР-85035. Главным конструктором Ту-155 был назначен Владимир Александрович Андреев. В самолете имелось множество принципиальных отличий от базового варианта. Криогенный топливный бак объемом 17,5 м 3 вместе с системой подачи топлива и системой поддержания давления составлял экспериментальный топливный комплекс, размещенный в хвостовом отсеке фюзеляжа, отделенном от других отсеков самолета буферной зоной. Бак, трубопроводы и агрегаты топливного комплекса имели экранно-вакуумную изоляцию, обеспечивающую заданные теплопритоки. Буферные зоны защищали экипаж и жизненно важные отсеки самолета в случае нарушения герметичности водородных систем.
4.
На самолете был установлен экспериментальный турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88, созданный в Самаре в двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2. Он устанавливался вместо правого штатного двигателя и использовал для работы водород или природный газ. Два других двигателя были родными и работали на керосине. Сейчас они сняты. А вот НК-88 остался на месте.
5.
6.
7.
Для управления и контроля криогенного комплекса на самолете имеется ряд систем:
Гелиевая система, управляющая агрегатами силовой установки. Так как двигатель работал на водороде, к нему нельзя было подводить электроприводы. Именно по этому его систему управления заменили на гелиевую.
Азотная система, замещающая воздушную среду в отсеках, где возможны утечки криогенного топлива.
Система газового контроля, контролирующая газовую среду в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечек водорода задолго до взрывоопасной концентрации.
Система контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.
В грузовом отсеке носовой части фюзеляжа расположены круглые баллоны с азотом. Также они установлены и в салоне самолета выше иллюминаторов. На полу вместо пассажирских кресел установлены баллоны с гелием. Плюс стойки с контрольно-измерительной и записывающей аппаратурой.
В целом было создано и внедрено более 30-ти новых самолетных систем. Среди новых технологий важное место занимает технологический процесс, обеспечивающий очистку внутренних полостей трубопроводов и агрегатов. Потому что с высокоэффективной изоляцией и вакуумной герметичностью, чистота - залог безопасности будущего полета.
Кабина экипажа подверглась изменениям. Перегородка была перенесена глубже в салон, а в кабине установлены рабочие места второго борт-инженера, который отвечал за работу экспериментального двигателя и инженера-испытателя, который контролировал работу бортовых экспериментальных систем. В полу кабины был смонтирован люк аварийного покидания.
Для обслуживания самолета и выполнения испытательных работ был создан авиационный криогенный комплекс. Он состоял из системы заправки жидким водородом (или сжиженным природным газом), пневматического питания, энергоснабжения, телевизионного контроля, газового анализа, орошения водой в случае пожара, а также контроля качества криогенного топлива.
На этапе наземных испытаний выполнялась проверка функционирования всех экспериментальных систем, включая работу двигателя НК-88 на жидком водороде. Были отработаны режимы заправки, обслуживания вакуумных систем, режимы работы топливной системы и системы поддержания давления в сочетании с работающим двигателем. Одновременно отрабатывалась подготовка самолета к полету, заправка бортовых систем гелием и азотом.
На фотографии видно длинную трубу, тянущуюся из-под фюзеляжа к соплу центрального двигателя. Это система аварийного слива жидкого водорода (природного газа). Она позволяла в случае необходимости слить криогенное топливо на срез сопла среднего штатного двигателя. В процессе наземных испытаний были отработаны различные ситуации, связанные с опасностью возникновения взрыва и пожара.
9.
10.
11.
В процессе непосредственной подготовки к полету осуществлялась доставка жидкого водорода автозаправщиками. Они подсоединялись к самолету через стационарные криогенные трубопроводы с запорно-присоединительной арматурой, которая обеспечивала необходимые противопожарные разрывы между самолетом, заправщиком и местом сброса в атмосферу дренируемого газообразного водорода. После пристыковки заправщиков производился контроль качества жидкого водорода с использованием специального пробоотборника и газового хроматографа. Помимо обычных операций при подготовке самолета к полету проводилась подготовка экспериментального двигателя, экспериментальных систем самолета и наземного комплекса. Особое внимание уделялось средствам взрыво- и пожаробезопасности, системам газового контроля, азотной, контроля вакуума в изоляционных полостях, системе пожаротушения, вентиляции отсека топливного комплекса и мотогондолы. В процессе испытаний отрабатывались различные средства защиты от повышения концентрации водорода в отсеках, как с использованием нейтральной среды (азота), так и вентиляцией воздухом от бортовой системы кондиционирования.
Из-за большой взрывоопасности из отсека с топливным баком пришлось удалить практически все электрооборудование. Это исключило малейшую возможность искрообразования, а весь отсек постоянно продувался азотом или воздухом. Кроме того, пары водорода из бака нужно было отводить подальше от двигателей, чтобы избежать воспламенения. Для этого сделали дренажную систему. Один из ее элементов первым бросается в глаза на киле самолета. Это обтекатель выпускного коллектора.
12.
13.
К первому полету самолет готовили на Жуковской летно-испытательной и доводочной базе Туполева (ЖЛИиДБ). Ту-155 отбуксировали к месту запуска двигателей. “Я 035, прошу взлет”. “035, взлет разрешаю”. 15 апреля 1988 года в 17 часов 10 минут с подмосковного аэродрома стартовал в свой первый полет самолет Ту-155 с двигателем, работающем на жидком водороде. Его пилотировал экипаж в составе: первый пилот - заслуженный летчик испытатель СССР Владимир Андреевич Севанькаев, второй пилот - заслуженный летчик испытатель СССР Андрей Иванович Талалакин, борт-инженер - Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер - Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель - Валерий Владимирович Архипов.
Полет проходил нормально. Контроль за его выполнением вели все наземные службы и самолет сопровождения Ту-134. Отработанные и проверенные на земле системы впервые проходили проверку в воздухе. Полет продолжался всего 21 минуту по малым кругам на разных высотах не выше 600 метров. Он завершился чуть раньше намеченного, для чего у инженера-испытателя Валерия Архипова были веские доводы: в азотном отсеке датчики зафиксировали наличие азота, который должен был автоматически появиться при утечках водорода. Но, слава Богу, причина была иная. Азот поступал через баллонный вентиль, разгерметизировавшийся при осуществлении самолетом крена в обе стороны от оси. Это стало понятно только на земле.
Был сделан только первый шаг на пути решения сложных проблем внедрения жидкого водорода в качестве авиационного топлива. В процессе летных испытаний были выполнены полеты по проверке работы силовой установки и систем самолета на различных режимах полета и при эволюциях самолета. Выполняли запуски экспериментального двигателя, испытывалась работа систем взрыво-пожаробезопасности в режимах создания нейтральной среды и вентиляции воздуха. В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа. Первый полет с использованием этого топлива состоялся 18 января 1989 года. Испытания самолета выполнял экипаж в составе: командир корабля - заслуженный летчик испытатель СССР Владимир Андреевич Севанькаев, второй пилот - Валерий Викторович Павлов, борт-инженер - Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер - Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель - Валерий Владимирович Архипов.
Как сказал генеральный конструктор Алексей Андреевич Туполев: “Сегодня впервые в мире поднялся самолет, используя в качестве топлива сжиженный природный газ. И мы надеемся, что этот первый полет этого самолета он даст нам возможность собрать все научно-экспериментальные данные и построить самолет, на котором уже в ближайшее время смогут летать пассажиры”.
Испытания показали, что расход топлива по сравнению с керосином уменьшается почти на 15%. Плюс к этому они подтвердили возможность безопасной эксплуатации самолета на криогенном топливе. В ходе обширного комплекса испытаний на Ту-155 было установлено 14 мировых рекордов, а так же совершено несколько международных перелетов из Москвы в Братиславу (Чехословакия), Ниццу (Франция) и Ганновер (ФРГ). Общая наработка экспериментальной силовой установки превысила 145 часов.
В конце 90-х годов главный распорядитель российских газовых запасов Газпром выступил с инициативой постройки в начале грузо-пассажирского, а потом и просто пассажирского самолета, который мог бы полностью работать на сжиженном природном газе. Самолет получил наименование Ту-156 и создавался на базе уже имеющегося Ту-155. На него должны были устанавливаться три новых двигателя НК-89, аналогичные НК-88, но имеющие две независимые топливные системы: одну для керосина и другую для криогенного топлива. Были проведены большие исследовательские и расчетные работы по перекомпоновке отсеков и расположения топливных баков.
К 2000-му году на Самарском авиационном заводе должны были быть выпущены три Ту-156 и начата их сертификация и опытная эксплуатация. К сожалению, этого сделано не было. И препятствия к осуществлению задуманных планов были исключительно финансовыми.
Наверное, можно сказать, что Ту-155 обогнал свое время. На нем впервые применили системы, к которым человечество еще вернется. А Ту-155 достоин стоять в музее, а не среди забытых списанных самолетов.
На Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2015 Научно-инженерная компания "НИК" и Б лаготворительный фонд "Легенды Авиации" при поддержке Администрации города Жуковский и ОАО “Авиасалон” впервые представили этот уникальный самолет широкой публике.
Текст в основном, видимо,
15 апреля 1988 года самолет Ту-155 совершил первый полет (экипаж под руководством летчика-испытателя В.Севанакаева). Это была одна из глобальных программ советского времени по замене нефтяного углеводородного топлива альтернативным и экологически чистым.
Интерес к применению водорода в качестве топлива в авиации возник в середине 50х годов прошлого века, когда в ЦИАМ была выпущена научно-техническая справка с аргументацией замены керосина на водород.
Инициативу ЦИАМ активно поддержали сотрудники ЦАГИ. В дальнейшем, группа во главе с академиком Струминским предложила интересный вариант сопровождения самолета с водородным двигателем отдельным самолетом6заправщиком. В итоге появились комплексно- целевые программы (КЦП) "Холод-1", "Холод-2" и т.д. Одним из главных результатов упомянутых КЦП и стал первый полет летающей лаборатории самолета Ту-155, один из трех двигателей которого (хвостовой) был заменен на водородный двигатель НК-88.
Самолет Ту-155 прошел обширный комплекс испытаний, в ходе которых установлено 14 мировых рекордов, совершен международный перелет по маршруту Москва - Братислава (Чехословакия) - Ницца (Франция), Москва - Ганновер (ФРГ).
Как это было
Валерий Владимирович Архипов входил в состав экипажа из пяти человек того исторического полета Ту-155 в качестве ведущего инженера.Валерий Владимирович рассказывает, что перед полетом Генеральный конструктор опытно-конструкторского бюро по созданию двигателя НК-88, дважды Герой социалистического труда, генерал-лейтенант Николай Дмитриевич Кузнецов подошел к нему, посмотрел в глаза и четко сказал: "Тебе замены нет и у тебя нет права на ошибку. Посвяти этот полет тем, кого больше всего любишь". Легко сказать “нет права на ошибку”. А попробуй сохранить четкость мышления, когда у тебя за спиной емкость объёмом 17,5 куб. метров, частично заполненная жидким водородом.
На фото: экипаж самолета Ту-155 после завершения полного цикла испытаний при работе двигателя НК-88 на жидком азоте*
Весьма опасные последствия его возможных утечек должны нейтрализоваться азотом, ёмкость с которым разделяли кабину пилотов и эксплуатационно-топливный комплекс (ЭТК). ЭТК включал также и сложную систему управления, основной контроль за которой как раз и осуществлял В.В. Архипов в качестве ведущего инженера, а стало быть, и бортового руководителя полета.
При отрыве самолета от взлетной полосы Валерий Владимирович через самолетное переговорное устройство сделал заявление в открытом эфире о посвящении полета памяти майора Архипова (это заявление было зафиксировано службой внешней разведки США). По успешному завершению полета генерал обнял и поблагодарил бортового руководителя полета. Первый полёт завершился чуть раньше намеченного, для чего у бортового руководителя были веские доводы: в азотном отсеке датчики зафиксировали наличие азота, который должен был автоматически появиться при утечках водорода. Но причина была иная: азот поступал через баллонный вентиль, разгерметизировавшийся при осуществлении самолетом крена в обе стороны от оси. Это стало понятно только на земле.
Полет продолжался всего 21 минуту по малым кругам на разных высотах - не выше 600 м.
Командиром экипажа являлся опытный летчик-испытатель В.А. Севанькаев, вторым пилотом Герой Советского Союза А.И. Талалакин, а его дублером был В.В. Павлов. Функции бортинженера выполнял А.А. Криулин. В дальнейшем менялся состав экипажей по испытаниям как водородного двигателя НК-88, так и двигателя НК-89, работающего на сжиженном природном газе.
Общая наработка двигателей НК-88 и НК-89 в составе летающей лаборатории Ту-155 превысила 145 часов, включая время перелета из Москвы в Ниццу и обратно.
При совершении демонстрационного полета из Москвы в Ниццу и обратно одним из участников исторического события был академик РАН О.Н. Фаворский. Олег Николаевич (который никогда не сомневался и не сомневается в научно-технической и технологической безупречности реализации грандиозного проекта) позже отмечал: "Было слегка неуютно ощущать на высоте соседство столь необычного топлива, каким является сжиженный природный газ. Психологическое напряжение было достаточно устойчивым". Напротив, В.В. Архипов чувствовал себя, как рыба в воде: ведь у него за спиной все полеты с двигателями НК-88 и НК-89, особенно первый полет, наградивший его первой проседью, видимо тогда, когда он решительно (к недоумению первого пилота) отдавал команду на посадку.
По итогам огромной работы создателей летающей лаборатории Ту-155 выпущен в виде книги обобщающий труд «Внимание, газы. Криогенное топливо для авиации».
Эпиграф к книге принадлежит Зинаиде Гиппиус "Ничто не сбывается. А я верю. Везде разрушения. А я надеюсь".
"…Тема криогенных топлив вышла из моды. Бесценные наработки в этой области, как и во многих других, где российские специалисты занимали ведущие мировые позиции, могут быть безвозвратно утеряны. Но переход на новые альтернативные источники энергии являются жестокой необходимостью. Ученые могут ошибаться на 50 и даже на 100 лет, однако ископаемые топлива в какой-то момент будут исчерпаны. Потеря источников энергии такой же "конец света", как и любые другие глобальные катастрофы и беды. Та страна, ученые и специалисты которой первыми найдут оптимальное решение проблемы перехода на неисчерпаемые источники энергии, получит доминирующее положение в мире. Особенно это важно для России с учетом огромного населения, богатейших природных ресурсов, занимаемого географического положения, климатических зон и огромных расстояний".
Добавить к приведенному высказыванию нечего. Нынешнее время только подкрепляет прогноз о том, что необходимо быстрее обретать уверенность в спасительном назначении водорода и эту уверенность воплощать в мегапроектах, подобных криогенному самолету Ту-155.
Для справки: в 80-е годы в АНТК им. А.Н. Туполева был создан первый в мире самолет -летающая лаборатория Ту-155 (первоначальное обозначение ЛЛ Ту -154). Жидкий водород с его высокой удельной теплотворной способностью, втрое превосходящей углеводородные топлива, с исключительной экологической чистотой оказался чрезвычайно перспективен как горючее для различных двигателей.
Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 обогатили советскую науку. Был приобретен опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, накоплен опыт в разработке технологических процессов изготовления таких систем, удалось освоить новое оборудование и новые технологические процессы.
Приобретенный опыт в создании и испытаниях самолета Ту-155 стал хорошей базой для будущего освоения технологий создания пассажирских и грузовых самолетов на криогенных видах топлива, а также основой для участия нашей страны в международном сотрудничестве в этой области. Кроме того, к 90-м годам удалось создать реальную внутриотраслевую и межотраслевую кооперацию различных предприятий по разработке авиационных криогенных систем.
* На фото представлен экипаж самолета Ту-155 после полного завершения цикла испытаний на жидком водороде - сверху вниз:
бортинженер-испытатель Кремлев Юрий Михайлович;
заслуженный летчик-испытатель Севанькаев Владимир Андреевич;
ведущий инженер-испытатель Архипов Валерий Владимирович;
бортинженер-испытатель Криулин Анатолий Александрович;
заслуженный летчик-испытатель Талалакин Андрей Иванович.
Статья подготовлена с использованием открытых
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 будущееОднако 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.
15 апреля этого года исполнилось 28 лет со дня первого полета самолета Ту-155, силовая установка которого могла работать как на жидком водороде, так и на сжиженном природном газе.
В середине 70-х годов, в связи с дефицитом мировой добычи нефти и углублением энергетического кризиса, во всем мире и, в том числе в СССР, интенсифицировались работы по применению альтернативных видов топлива в промышленности и на транспорте.
В СССР Академией наук совместно с рядом научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро была разработана программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по широкому внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиационной промышленности она получила название - тема "Холод".
С инициативой создания экспериментального самолета, использующего в качестве топлива жидкий водород, выступил Генеральный конструктор ОКБ А.Н. Туполева Алексей Андреевич Туполев. Эта программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации. В ходе разработки самолета выявилась необходимость значительного расширения объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по теме "Холод". Жидкий водород с его высокой удельной теплотворной способностью, втрое превосходящей углеводородные топлива, с исключительной экологической чистотой оказался чрезвычайно перспективен как горючее для различных двигателей, особенно для проектов гиперзвуковых летательных аппаратов как гражданского, так и военного назначения.
В этот же период обострился дефицит традиционных видов топлива для транспортных средств (керосин, бензин), и потребовалась замена его природным газом, который для авиации наиболее приемлем в сжиженном состоянии - СПГ (сжиженный природный газ). Сниженный природный газ обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с традиционными авиационными топливами. При нарастающем дефиците нефтяных топлив запасы природного газа составляют значительную величину, а при неуклонном росте цен на нефтяные топлива цена на СПГ всегда будет ниже. Теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина. Применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное экологическое влияние на окружающую среду.
Исходя из этих положений, в ОКБ А.Н. Туполева в 80-ые годы был создан первый в мире экспериментальный самолет Ту-155. С целью летной оценки возможности использования криогенных топлив на Ту-155 по сравнению с базовым самолетом Ту-154Б были выполнены следующие конструктивные изменения:
- в специально выделенном отсеке салона самолета установили топливный бак с высокоэффективной теплоизоляцией для размещения жидкого водорода с температурой -253С0 или сниженного природного газа с температурой -162С0;
- доработали топливную систему самолета;
- экспериментальный топливный комплекс включал в себя: систему подачи топлива в двигатель, систему поддержания давления в баке с аварийным предохранительным устройством, систему циркуляции, наддува бака, систему аварийного слива криогенного топлива; система подачи топлива состояла из центробежных и струйных насосов, теплоизолированных трубопроводов, криогенных агрегатов и клапанов;
- для управления и контроля работы криогенного комплекса на самолете установили три дополнительные системы:
- гелиевую, управляющую агрегатами силовой установки;
- азотную, замещающую азотную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации;
- систему контроля вакуума в теплоизоляционных полостях; вместо штатного правого двигателя НК-8-2У установили экспериментальный двигатель НК-88, созданный в ОКБ Н.Д.Кузнецова.
В целом на самолете было установлено около 30 новых систем, что показывает глубину проведенных изменений.
Для обслуживания экспериментального самолета и выполнения испытательных работ был создан уникальный наземный авиационный криогенный комплекс. Он состоял из следующих систем:
- системы заправки криогенным топливом;
- системы пневмопитания;
- системы энергоснабжения;
- системы телевизионного контроля;
- системы газового анализа;
- системы орошения водой в случае пожара;
- системы контроля качества криогенного топлива.
Данный комплекс позволял проводить различные виды испытаний с использованием больших количеств криогенной жидкости.
Экспериментальный самолет был разработан и построен на базе серийного самолета Ту-154Б.
15 апреля 1988 года самолет Ту-155 совершил первый полет (экипаж во главе с летчиком-испытателем В. Севанькаевым).
Самолет Ту-155 прошел обширный комплекс испытаний. При этом экспериментальная силовая установка работала и на жидком водороде, и на СПГ. В ходе испытаний было установлено 14 мировых рекордов.
Всего на криогенном топливе было выполнено около 100 полетов, в том числе 5 на жидком водороде. Самолет участвовал в международном газовом конгрессе в Ницце, в авиасалоне в Берлине.
Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 обогатили отечественную науку и технику. Был приобретен опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, накоплен опыт в разработке технологических процессов изготовления таких систем, удалось освоить новое оборудование и новые технологические процессы. Была создана специальная экспериментальная база для испытаний самолетов с силовыми установками, работающими на криогенных топливах, освоена новая испытательная техника и новые методы испытаний. Приобретен опыт обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом, отработаны приемы и методы обеспечения взрывопожаробезопасности.
Полученный научно-технический задел по использованию криогенных видов топлива был использован ОКБ А.Н. Туполева в нескольких проектах самолетов гражданского и военного назначения.
Вслед за экспериментальным самолетом Ту-155 в работах ОКБ А.Н. Туполева появилась тема Ту-156, предусматривавшая создание на базе Ту-154Б и Ту-154М грузовых и пассажирских самолетов с силовой установкой на СПГ. Аналогичные проекты были подготовлены на основе новых туполевских самолетов: Ту-204/214 (Ту-204К), Ту-334 (Ту-334К), Ту-204-330 (Ту-330К), Ту-130 (Ту-130СПГ).
В ОКБ А.Н. Туполева в 70-е и 80-е годы прорабатывались и другие проекты летательных аппаратов на альтернативных видах топлива. Существовало несколько проектов Ту-160 и Ту-144 на жидком водороде - Ту-160В и Ту-144В. Жидкий водород предполагалось использовать в качестве топлива в двигателях гиперзвукового ударного самолета "360", работы над которыми велись в ОКБ А.Н. Туполева в 80-е годы. Жидкий водород использовался как основной вид топлива в проекте воздушно-космического самолета Ту-2000, старт и посадка которого должны были производиться по-самолетному.
Руководство страны высоко оценило достижение туполевцев и всех, кто с ними работал. 15 участников работ стали лауреатами премии Правительства Российской Федерации, многие участники удостоены высоких званий и правительственных наград.
В настоящее время предпринимаются попытки полетов с использованием в качестве топлива жидкого водорода. Эти попытки выдаются за пионерские. Но первыми в истории мировой авиации навсегда останется ОКБ А.Н. Туполева, создавшее и испытавшее первый в мире самолет, способный использовать два вида топлива - жидкий водород и сжиженный природный газ.
Преемник ОКБ А.Н. Туполева - ОАО "Туполев" является держателем уникальных технологий в области освоения альтернативных видов топлива в авиации, за которыми, несомненно, большое будущее.
На Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2015 Научно-инженерная компания «НИК» и Благотворительный фонд «Легенды Авиации» при поддержке Администрации города Жуковский и ОАО “Авиасалон” впервые представили самолет Ту-155. Эта уникальная машина, летающая лаборатория для отработки систем и двигателя, использующих криогенное топливо.
Источники: www.tupolev.ru , Ригмант В.Г. Под знаками «АНТ» и «Ту» // Авиация и космонавтика. – 2000. – №3, www.airwar.ru , avia.pro, aviaros.narod.ru и др.