Уникальные газовые модификации Ту-154
Пессимистические прогнозы геологов в конце семидесятых годов прошлого века о возможном резком сокращении запасов нефти в течение ближайших десяти лет привели к поиску альтернативного источника энергии. Им мог бы стать водород. С одной стороны, это лучшее экологически чистое горючее (с теплотворной способностью, более чем втрое превосходящее традиционный керосин), выделяющее при горении лишь воду. С другой — взрывоопасное вещество, не допускающее его смешивания с воздухом, сложное в хранении и транспортировке.
С момента начала работ в этом направлении прошли десятки лет. Первыми в СССР начали заниматься исследованием жидководородного горючего в ОКБ Н.Д. Кузнецова при разработке жидкостно-реактивных двигателей для ракеты Н-1. В начале 1960-х годов прорабатывался вопрос об использовании жидкого водорода в авиации. Вслед за этим произошло событие, заставившее пересмотреть отношение к классическому углеводородному топливу.
Первыми, кто поддержал переход авиации на криогенное топливо, были военные, отвечавшие за обороноспособность страны. Любопытно, что выбор водородного топлива для авиации совпал, как и полтора десятка лет назад, с созданием очередной отечественной космической системы, на этот раз "Бурана". Топливной парой основной ступени ракеты-носителя были жидкие кислород и водород, что потребовало разработки технологии и производственного оборудования для второго компонента.
Работа над созданием криогенных топливных систем для авиации развернулась в ОКБ имени А.Н. Туполева. На базе широко известного пассажирского лайнера Ту-154 подготовили летающую лабораторию, которая получила обозначение Ту-155. В отличие от прототипа, в хвостовой части пассажирского салона установили бак, вмещающий до 20 кубических метра сжиженного газа с экранно-вакуумной теплоизоляцией, способной долгое время сохранять температуру -253° С. Были предприняты беспрецедентные в авиации меры безопасности. Через криогенный бак не проходило ни одного электрического провода. Дренажная система быстро удаляла из бака летучие пары водорода на необходимое безопасное расстояние как от двигателей, так и источников статического электричества. Для летающей лаборатории сконструировали и изготовили дополнительно свыше 30 бортовых систем, обеспечивавших функционирование силовой установки.
Правый из трех двигателей самолета заменили на модифицированный НК-88, который работал на газовом топливе. При этом потребовалось решить ряд сложнейших задач. Для подачи газового топлива пришлось установить вместо привычного насоса высоконапорный турбонасосный агрегат, подобный тем, что используются в ракетах, и приводимый воздухом, отбираемым от одной из ступеней компрессора ТРДД. Заменили форсунки двигателей.
В таком виде Ту-155 впервые облетал экипаж летчика-испытателя В.А. Саванькаева в апреле 1988 г. Но то, что оказалось хорошо для ракетной техники, когда активный участок траектории носителя космических объектов исчисляется минутами, для авиации оказалось преждевременным.
Пока шла разработка силовой установки на сжиженном водороде, геологи открыли новые месторождения нефти и газа. Особенно велики оказались залежи последнего, превосходящие запасы нефти и угля. Это и определило переход к более дешевому и доступному метану. К тому же теплотворная способность природного газа на 15% превышает аналогичный параметр основного авиационного топлива керосина и при его использовании снижается вредное воздействие на окружающую среду. Да и для хранения его в жидком виде требуется температура почти на 100°С выше, чем для водорода. К тому же в процессе предполетной подготовки не нужна продувка топливных баков азотом, исключавшим образование гремучего газа при соединении водорода с воздухом.
Летающую лабораторию доработали, и в январе 1989 года машина, один из моторов которой использовал для работы сжиженный природный газ (СПГ), поднялась в воздух. Этот и последующие полеты показали реальную перспективу использования в авиации метана.
В летных исследованиях на Ту-155 было установлено 10 мировых рекордов и совершены международные перелеты по маршрутам Москва-Братислава-Ницца-Москва и Москва-Ганновер.
Использование летающей лаборатории Ту-155 позволило накопить необходимый опыт для дальнейших разработок авиационных криогенных систем. Эта машина стала своего рода необходимым фундаментом для создания Ту-156 (на базе серийного лайнера Ту-154М) и предназначавшегося для перевозки коммерческих грузов в деловой эксплуатации.
На Ту-156, в отличие от предшественника, применили двигатели НК-89, способные работать как на керосине, так и метане. НК-89 тоже имеет турбонасосный агрегат, приводимый воздухом, отбираемым от одной из ступеней компрессора ТРДД. За его турбиной находится теплообменник. Он превращает жидкий метан в газообразное состояние. Имеются у этого двигателя и резервы, в частности, велись исследования по совершенствованию камеры сгорания для снижения окислов азота.
При проектировании из большого количества вариантов размещения бака для СПГ (в том числе под крылом и на фюзеляже) был выбран компромиссный вариант, сохранивший аэродинамику самолета. Основной криогенный бак емкостью 13 т разместили вместо заднего пассажирского салона, а центровочный, рассчитанный на 3,8 т СПГ, — в переднем багажном отделении под полом пассажирской кабины, переоборудованной под перевозку грузов.
Баки для СПГ являются, пожалуй, наиболее сложными устройствами самолета, поскольку они должны не только обеспечивать низкую температуру. Изготовленные из алюминиевого сплава и покрытые пенополиуретановой теплоизоляций толщиной 50 мм, они выдерживают внутреннее давление до 0,2 МПа. Чтобы снизить тепловые потоки от планера к СПГ, баки подвешены к фюзеляжу в нескольких точках. По аналогии с Ту-155 оборудовалась и дренажная система криогенных баков, допускающая сброс паров метана лишь в нештатных ситуациях.
К началу 1997 года по проекту Ту-156 были изготовлены модели для продувки в аэродинамических трубах, начались компоновочные работы, был готов аванпроект и полным ходом шла подготовка эскизного проекта.
Перекомпоновка фюзеляжа привела к уменьшению грузоподъемности Ту-156 с 18 т (у грузового Ту-154С) до 14 т. При этом дальность перевозки этого груза с использованием СПГ должна быть не меньше 2600 км, а на керосине — 3300 км. Последнее объясняется большим объемом штатных керосиновых баков. Но для решения задач, стоящих перед Ту-156, это не принципиально. В то же время наличие двух топливных систем значительно упрощает эксплуатационные испытания и мобильность машины, так как позволяет совершать полеты в аэропорты, не имеющие оборудования для производства и хранения СПГ.
Следует заметить, что переход в случае возникновения нештатной ситуации с СПГ на керосин займет около 5 секунд, повышая безопасность полета. Однако для массовой эксплуатации необходимо создание в аэропортах мини-заводов по превращению газа в жидкое состояние и газозаправочного оборудования.
Известно, что газ в трубопроводах находится под высоким давлением, и для его сжатия на газоперекачивающих станциях затрачивается большая энергия. Учитывая, что подавляющее большинство аэропортов находится в близости с магистральными газопроводами, то СПГ можно было бы получать за счет перепада давлений на газораспределительных станциях. Ведь при многоступенчатом расширении его температуру можно значительно снизить. Это означает, что для перевода метана в жидкое состояние дополнительной энергии практически не потребуется.
Появление Ту-156 могло создать предпосылки к будущему более широкому применению в авиации сжиженного природного газа (запасы которого не иссякнут в ближайшие 100-150 лет) при существенно более низкой стоимости этого вида топлива.
К весне 1999 года АНТК им. Туполева официально сообщил, что технических проблем для производства первого в мире гражданского самолета Ту-156, использующего для работы сжиженный природный газ, не существует. Техническая документация для изготовления первого образца уже была готова на 70%. Согласно экспертным оценкам, стоимость переоборудования лайнера Ту-154 в газовую версию Ту-156 должна была составить всего от 700 тысяч до 1,1 млн. долларов.
Повышенный интерес к криогенной авиации стали в это время проявляли и за рубежом. Достаточно сказать, что фирма " Боинг", очень была заинтересована в информации, и предлагала провести совместные исследования по аналогии с Ту-144. Не обходил вниманием Запад и самолет Ту-155, пытаясь приобрести его, якобы для музея, хотя сквозь "архивную пыль" просвечивались другие замыслы.
По программе испытаний Ту-156 выполнил более 100 полетов. Однако после этого самолет был поставлен на стоянку. Бюджетных средств в размере всего лишь 12,5 млн. долларов, чтобы поставить авиалайнер в серию и сертифицировать его под маркой Ту-156, у государства не нашлось.
Источники:
Гуров В. Уникальный самолет Ту-155 с водородным двигателем // Двигатель. 2013. № 5. С.4-6.
Кандалов А., Даффи П. А.Н.Туполев: Человек и его самолёты. М.: Московский рабочий, 1999. С. 195-198.
Васильев Н. Воспоминания о будущем: О самолёте Ту-156 // Крылья Родины. 1999. №8. С. 13-14.
Ригмант В. Под знаками "АНТ" и "Ту" // Авиация и космонавтика. 2000. №3. С. 40-41.
Туполев А. Вариант чистого неба // Техника — молодёжи. 1989. №1. С. 18-21.
Информация