Топливный хай-тек

Водород - практически идеальное топливо, причем для большинства двигателей.

К примеру, реактивному он обеспечивает очень высокий удельный импульс тяги, то есть прекрасное отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива. Это прямое следствие рекордной энергоемкости и малой массы водорода.

По теплотворности данное топливо втрое превосходит авиационный керосин. В камере сгорания водород ведет себя также хорошо - устойчиво горит и не создает вредных пульсаций. Бонусом для инженеров выступает высокая охлаждающая способность топлива, повышающая эксплуатационные характеристики двигателей.

И, конечно, главным плюсом водорода в наш век тотального "озеленения" выступает его экологическая чистота - в выхлопе водяной пар с небольшой примесью оксидов азота.

Впрочем, водород дружелюбен к природе только на этапе сжигания в двигателе - получение этого вещества связано с немалыми энергетическими затратами. Но об это немного позже.

Идею использования жидкого водорода в паре с жидким кислородом в качестве топлива предложил еще Циолковский в начале прошлого столетия.

При всех плюсах, описанных выше, у самого легкого вещества во Вселенной есть масса недостатков.

Прежде всего, высокие затраты на получение и сжижение газа - в среднем один килограмм водорода в 20-80 раз дороже одного килограмма лучшего авиационного керосина.

Сложностей добавляет технология хранения такого топлива, которое просто так банально в бак не зальешь. Даже в самых современных емкостях для водорода не исключена аварийная утечка. Поэтому первое время ограничения в использовании водородного топлива были чисто технологического плана.

Всерьез об идее использования водорода в качестве топлива задумались только после войны - как раз подоспела холодная война и космическая гонка. Исследования практически одновременно стартовали в Соединенных Штатах и Советском Союзе, однако со временем технологическая инициатива перешла к американцам.

Скептицизм отечественных инженеров был связан в первую очередь с чрезвычайной опасностью эксплуатации водородных моторов разного типа. Малейшая разгерметизация топливной системы приводила к соединению водорода и кислорода в "гремучий газ". Так, при испытаниях отечественных ракетных двигателей на водороде приходилось относить пункты управления не менее чем на 1 100 метров.

Заправленные 2-3 тоннами жидкого водорода двигательные установки представляли собой адские машины в случае нештатных ситуаций.

Несмотря на это, Соединенные Штаты сумели в ноябре 1963 года запустить в серию ракету-носитель Atlas-Centaur, у которой впервые в мире была кислородно-водородная верхняя ступень.

Позже уже у Space Shuttle использовались маршевые двигатели подобной конструкции.

В Советском Союзе наибольшую известность приобрел кислородно-водородный двигатель РД-0120, разработанный для гигантской ракеты-носителя "Энергия".

Ближе к теме данной статьи еще одно мировое достижение советских инженеров - первый в мире самолет на криогенном топливе Ту-155.

Он поднялся в воздух 15 апреля 1988 года с "гибридными" силовыми установками. Дело в том, что один из трех двигателей, расположенный справа, был заменен на водородный НК-88.

Оцените сложности конструкции Ту-155 по воспоминаниям Валерия Солозобова, участвовавшего в постройке уникальной машины.

При проектировании летающей лаборатории пришлось существенно изменить компоновку Ту-154 и решить целый ряд сложнейших технических задач. В хвостовой части фюзеляжа, где располагался пассажирский салон, был оборудован герметичный отсек, и в нем установлен криогенный бак на 20 куб. метров жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией, которая долгое время сохраняет в баке температуру ниже минус 253 градусов по Цельсию.

Разработка Ту-155 была побочным продуктом программы "Энергия-Буран", в рамках которой также создавали водородный двигатель, правда, ракетный.

В конце 80-х в СССР планировали создать целую отрасль по генерации водорода, отчего его цена должны была упасть до уровня, приемлемого в гражданских перевозках. Осталось только найти желающих сесть в самолет с несколькими тоннами жидкого водорода на борту - даже самые неискушенные пассажиры помнили про трагедию "Гинденбурга", похоронившую дирижаблестроение на долгие годы.

В итоге Ту-155 совершил пять полетов в водородной конфигурации, после чего двигатель НК-88 перепрофилировали на сжатый природный газ. Однако теплотворная способность голубого топлива уже не в три раза выше, а всего на 15 % больше, чем у авиационного керосина.

А вот с хранением определенные сложности остаются - баки должны постоянно удерживать минус 160 градусов.

Впрочем, сжатый газ не оправдал ожиданий, и самолеты до сих пор пользуются керосином.

Сейчас же определенные надежды связывают с гиперзвуковыми машинами, в которых водород может раскрыться по-новому.

Из Австралии с гиперзвуком

Последние новости о водородном моторостроении пришли, откуда не ждали - от австралийской Hypersonix Launch Systems, которой всего чуть больше трех лет от роду.

Тем не менее разработчики предлагают революцию в форме концепта гиперзвукового самолета-доставщика спутников на орбиту. Аппарат Delta Velos оснащен сразу четырьмя гиперзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями Spartan.

Интересно, что для горения водороду не требуется запас кислорода на борту - необходимый окислитель извлекается из потока воздуха на скорости более М=1. Определенным образом разработанный воздуховод двигателя Spartan сжимает потоки набегающего воздуха до такой степени, что впрыскиваемый водород в камере сгорания тут же воспламеняется.

При этом горение поддерживается на сверхзвуковом режиме потока - это ключевой параметр двигателя.

Чем-то подобным уже несколько лет занимаются специалисты отечественного ЦАГИ в рамках работы над водородными прямоточными воздушно-реактивными двигателями.

Как утверждают в Hypersonic, планы у них масштабнее, все-таки двигатель Spartan уже около 30 лет в разработке и даже совершил более десятка суборбитальных полетов. Очевидно, доводкой мотора занимались другие люди - самой фирме, напомним, всего три года.

Для того чтобы запустить в работу гиперзвуковой двигатель, требуется разгонный блок. Эту роль выполняет кислородно-водородный Boomerang, который после отработки топлива отделяется, расправляет крылья и планирует на базу. Все в лучших традициях Илона Маска.

История затевается только ради 50-килограммового спутника в чреве гиперзвукового Delta Velos, который на высоте в несколько десятков километров выйдет в свободный полет, а носитель вернется домой. Максимальная скорость на пике траектории планируется от 5 до 7 Махов.

Пока это только теория, но австралийцы обещают практическое воплощение уже в следующем году.

Правда, пока только в миниатюрном форм-факторе - прототип будет уменьшенной масштабной копией Delta Velos с размахов крыльев 2,8 метра. Настоящий гиперзвуковой носитель спутников будет иметь размах уже 12 метров.

Если все сложится хорошо, то первый полноценный демонстратор технологий должен полететь в 2024 году. При этом у проекта может быть несколько вариантов развития - это и военное воплощение, и гражданский гиперзвуковой самолет, способный пересечь Тихий океан за пару часов.

Такое смелое использование водорода объясняется, прежде всего, мировой "зеленой" стратегией - ведущие страны переходят на электролизный синтез вещества.

В качестве источника экологически чистого электричества выбраны солнечные батареи и ветрогенераторы. Водород должен стать своеобразным энергоаккумулятором на периоды вынужденного простаивания ветряков в штиль.

Именно из таких хранилищ и планируют заправлять свои гиперзвуковые и чрезвычайно "зеленые" дроны Hypersonix Launch Systems.

Однако водород будет все равно экономически невыгоден.

Во-первых, высокая стоимость электричества от ветряков и солнечных батарей в ближайшие десятилетия не составит конкуренции генерации ТЭС и тем более ГРЭС и АЭС.

Во-вторых, для получения водорода из электролиза воды требуются дорогостоящие дистилляторы - простая вода из озера для такого хай-тека не годится. И это также дополнительные затраты.

А если производство "зеленого" водорода действительно станет массовым (ценой неимоверных затрат), то куда утилизировать сотни тысяч тонн рассола, оставшегося после дистилляции исходного?

И не усугубят ли ситуацию проекты гиперзвуковых водородных челноков, расходующих топливо как не в себя?...