По прогнозам комиссии ЮНЕСКО в начале наступающего тысячелетия будут исчерпаны разведанные запасы нефти. Авиационный керосин вначале станет безумно дорогим, а затем исчезнет.

Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова с середины 70-х занимается проблемой применения альтернативных топлив в авиации, считая эту проблему важной и актуальной.

Исследованию подвергались: синтетические топлива, жидкий водород, жидкий метан, сжиженный природный газ, метанол, аммиак, ацетилен, гидразин, монометиламин, пропан-бутановая смесь. Предпочтение было отдано криогенным топливам: жидкому водороду и сжиженному природному газу (СПГ), состоящему преимущественно из метана, теплотворная способность которого на 15 % выше, чем у керосина. Но наиболее перспективным является жидкий водород: по теплотворной способности он в 2,8 раза калорийнее керосина.

Особенностью жидкого водорода и СПГ является их меньшая, по сравнению с керосином, плотность и, главное, низкая температура кипения.

Меньшая плотность требует размещения на борту самолета топливных баков больших размеров, что приводит к увеличению габаритов "криогенного" самолета и некоторому ухудшению его летно-технических характеристик (ЛТХ), поскольку возрастает лобовое сопротивление и на 10…18 % ухудшается аэродинамическое качество. Кроме того, хранение криогенного топлива требует теплоизоляции баков и создания специальных систем, обеспечивающих необходимый режим хранения топлива.

Анализ, проведенный нами совместно с самолетной фирмой и институтами, показал, что достоинства жидкого водорода как авиационного топлива превалируют над его недостатками. Так, несмотря на ухудшение ЛТХ "водородного" самолета, он, тем не менее, имеет преимущества в сравнении с "керосиновым" по запасу топлива на 64…75 %, по массе самолета - на 25…51 % и по тяге двигателя - на 12…49 %, достигнутые за счет высокой теплотворной способности водорода.

Исследования термодинамических циклов и удельных характеристик дозвуковых двухконтурных газотурбинных двигателей в условиях крейсерского полета (Н=11 км, М=0,82) при температуре перед турбиной Т*=1500 К, степени двухконтурности двигателей 5…9, степени повышения давления в компрессоре pк=25…45 также показывают, что применение жидкого водорода обеспечивает существенный экономический выигрыш. Кроме сказанного, отметим, что использование жидкого водорода для охлаждения агрегатов двигателя позволяет дополнительно увеличить его удельную тягу на 10…13 % и на 5…6 % уменьшить размер.

Таким образом, использование жидкого водорода обеспечивает освоение высоких степеней повышения давления в компрессоре, а также обеспечивает главное - улучшение экономичности двигателя за счет высокой теплотворной способности нового топлива. Что же касается пожароопасности жидкого водорода, особенно при аварийных ситуациях, то проведенные у нас и за рубежом исследования показали, что в связи с быстрой его испаряемостью эта опасность даже меньше, чем при утечках аналогичного количества керосина. При соблюдении требований к герметичности систем и правил техники безопасности, эксплуатационные требования к жидкому водороду не жестче, чем требования к авиационному бензину, на котором десятки лет велась и продолжается ныне эксплуатация самолетов.

На первом этапе для решения проблемы использования жидкого водорода в качестве топлива было признано целесообразным: принять в качестве базового двухконтурный двигатель НК-8-2 с тягой 10 500 кгс. Его переоборудовали под питание жидким водородом без изменения газовоздушного тракта, силовой схемы и схемы валопроводов. Такое упрощение позволило сосредоточить работы на выборе и анализе пневмогидравлической схемы, системы регулирования и управления двигателем, выборе типа насоса и его привода, изучении процессов газификации и сгорания жидкого водорода. Кроме того, экспериментальный самолет Ту-155, переоборудованный из пассажирского Ту-154, было решено оснастить только одним водородным двигателем, а другие два оставить работающими на керосине.

Особенности теплофизических свойств жидкого водорода, его взрыво- и пожароопасность определили следующие компоновочные решения:

• - водородные агрегаты располагаются на верхней части оболочки наружного контура двигателя в специальном отсеке - контейнере, который снабжен датчиками системы предупреждения о пожаре и взрывоопасной концентрации водорода, системой продувки воздухом и системой продувки инертным газом при достижении концентрации водорода, близкой к опасной;
• - основные функциональные водородные агрегаты и участки трубопроводов между ними теплоизолированы;
• - система топливоподачи содержит минимальное количество разъемных соединений.

Проведенные исследования и доводка систем, агрегатов и узлов на отдельных стендах, демонстрационном двигателе позволили создать экспериментальный двигатель НК-88, работающий на жидком водороде. При первых испытаниях НК-88 выяснилось, что в жидком виде водород подавать в камеру сгорания нельзя из-за его вскипания во фронтовом устройстве и форсунках, что приводило к появлению низкочастотных пульсаций и "раскачке" оборотов двигателя. В итоге был создан теплообменник-газификатор, который установили за турбиной.

В ходе стендовых испытаний пневмогидравлическая схема двигателя обеспечила динамическую устойчивость системы топливоподачи и двигателя в целом во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Экспериментальный НК-88 смонтировали на самолете Ту-155, и в апреле 1988 г. были начаты его летно-конструкторские испытания. Они подтвердили правильность и жизнеспособность выбранных конструктивных решений, позволяющих перейти к созданию целевого двигателя для целевого самолета.

В связи с тем, что дальнейшие работы по водородным двигателям и самолетам были приостановлены, начиная с первой половины 80-х гг., мы начали серьезное изучение и исследование применения СПГ в качестве альтернативного топлива для авиации. СПГ имеет веские преимущества перед авиационным керосином по величине вредных выбросов в атмосферу, его стоимость не превышает стоимости авиационного керосина, а при массовом употреблении может быть значительно ниже. Поэтому в своих дальнейших исследованиях мы работали только с СПГ.

Мы полагаем также, что на первом этапе внедрения СПГ в качестве топлива для авиации необходимо предусмотреть возможность работы двигателя как на СПГ, так и на керосине, т.е. создать двухтопливную систему питания двигателя. Такое предложение легко объяснимо: ведь на первом этапе освоения СПГ, будет немного аэропортов, оборудованных средствами получения и заправки сжиженным газом, а на "двухтопливном" самолете можно будет совершать полеты не опасаясь, что вынужденная посадка по метеоусловиям на аэродром, не работающий с СПГ, приведет к сложной организационно-технической проблеме.

В 1986 г. начались испытания экспериментального двигателя НК-88 на СПГ. Поскольку все системы двигателя были спроектированы для жидкого водорода, то их можно было использовать для СПГ, температура кипения которого на сотню градусов выше температуры кипения жидкого водорода. Некоторые изменения были сделаны в турбонасосной системе питания, системе регулирования и в теплообменнике-газификаторе. Испытания прошли удовлетворительно и подтвердили принципиальную возможность использования СПГ в качестве топлива для авиации.

В январе 1989 г. экспериментальный самолет Ту-155, переоборудованный под СПГ, совершил первый полет. В октябре 1989 г. он совершил показательный перелет по маршруту Москва - Братислава - Ницца (Франция) на 9-й Международный конгресс по природному газу. В мае 1990 г. этот же самолет побывал на Ганноверской (ФРГ) авиационной выставке. Через год Ту-155 совершил полет по маршруту Москва - Берлин для участия в очередном Международном конгрессе по природному газу.

Таким образом, первый этап создания демонстрационного экспериментального двигателя и самолета с СПГ был успешно завершен. Следовало переходить к следующему этапу - разработке двигателей и самолетов целевого назначения для совершения грузовых и пассажирских перевозок.

Применение жидкого водорода и СПГ решает проблему создания экологически чистого газотурбинного двигателя при использовании камеры сгорания традиционной конструкции или ее несколько модифицированного варианта. В разработанном двигателе метан подается в зону горения в газообразном состоянии. Меньшая температура пламени в ГТД, работающем на СПГ (Т=2287 К) по сравнению с двигателями, работающими на керосино-воздушных смесях, обуславливает экологическую чистоту выхлопных газов (низкий уровень эмиссии СО и полное отсутствие частиц углерода). Той же причиной теоретически обусловлена меньшая концентрация NOх. Наши исследования показали, что при переходе с керосина на СПГ концентрация окислов азота в выхлопных газах падает на 30 %. С учетом более высокой теплотворной способности СПГ, уменьшающей потребное количество топлива, массовый выброс NOх сокращается еще на 10 %.

Газообразное состояние СПГ позволяет достичь высокой степени однородности смеси. Использование этого качества требует создания специальных камер сгорания, в которых обеспечивается высокая степень гомогенизации смеси СПГ с воздухом, что позволит сжигать "бедные" смеси и, тем самым, дополнительно уменьшить вредные выбросы в 1,5…2 раза.

23 апреля 1994 г. вышло Постановление правительства РФ № 368 "О создании грузопассажирского самолета Ту-156 с двигателями НК-89, работающими на криогенном газовом топливе", однако до настоящего времени оно не профинансировано.

А работа предстоит большая. Только для доводки двигателя НК-89 необходимо:

• - завершить работы по обеспечению плавного, без потерь тяги, перехода с керосина на СПГ и обратно (эти работы проводились и дали удовлетворительный результат, но они еще не завершены);
• - улучшить смесеобразование в камере сгорания чтобы уложиться в перспективные нормы ИКАО по эмиссии СО и СН;
• - отработать подшипники турбонасосного агрегата (ТНА), способные работать в среде СПГ, либо перевести подшипники на масляную смазку. Проработка такого ТНА выполнена, требуется доводка;
• - в связи с тем, что по требования разработчиков самолета максимальное давление в баках СПГ снижено до уровня 3 кг/см2, перед ТНА установлен преднасос, прошедший первые испытания с удовлетворительными результатами. Необходима его отработка на длительный ресурс;
• - провести дальнейшую модернизацию системы регулирования и управления (САР) и ввести в ее состав регулятор расхода. Техническое задание на новую систему САР согласовано с разработчиками НПП "ЭГА", но из-за отсутствия средств работы приостановлены.

В настоящее время СНТК располагает двумя двигателями НК-89. Кроме того, для поставки самолетчикам получены три базовых двигателя НК-8-2У, которые необходимо переоборудовать в НК-89. При наличии финансирования закончить работу по созданию двигателя НК-89 можно за четыре года.

В последнее время поднимался вопрос о целесообразности создания самолета Ту-156 с двигателями НК-89 на базе уже устаревшего самолета Ту-154 с двигателями НК-8-2У. Наши оппоненты задают вопрос: не лучше ли разработать новый, современный двигатель, работающий на СПГ, и соответствующий самолет? Нам представляется, однако, что эти работы целесообразны, поскольку, прежде всего, в связи с отсутствием инфраструктуры получения, хранения и транспортировки СПГ первоначально необходимыми системами будут оборудованы два, максимум три, аэропорта. Это означает, что на первом этапе грузопассажирские перевозки будут крайне ограничены, и для них потребуется не более двух самолетов. Для расширения перевозок, придется создаваться вновь всю инфраструктуру для СПГ, поскольку в России аналогов нет. Как она сама, так и составляющие ее элементы, будут нуждаться в доводке и отработке. Пока это не произойдет, рейсы самолетов будут редкими. Затраты на создание самолета и двигателя нового поколения потребуют на порядок больше средств, чем для самолета Ту-156 и двигателя НК-89 и учитывая состояние экономики России, более выгодно отработать весь комплекс проблем создания и эксплуатации самолета и двигателя на СПГ и инфраструктуры получения, хранения и транспортировки на базе уже имеющейся техники. После отработки всех проблемных вопросов следует начать проектирование и создание самолетов и двигателей нового поколения, работающих на СПГ.

Создание самолета Ту-156 с двигателями НК-89 с учетом накопленного опыта по самолету Ту-155 с двигателями НК-88 позволит в сравнительно короткие сроки и с наименьшими затратами решить комплексную проблему освоения альтернативного криогенного топлива в авиации, включая инфраструктуру аэродромного обслуживания.

Что касается более отдаленной перспективы, то наше ОКБ выполнило проработку "под СПГ" модификации двигателя НК-93, получившей наименование НК-94. Параметры криогенной системы топливопитания НК-94 значительно более напряженные, чем у НК-89, и требуют больших затрат на отработку и обеспечение надежности и ресурса.

Учитывая важность и актуальность перехода российской авиации с керосина на СПГ, нами предлагаются две государственные программы поддержки этой работы:

• - программа по применению СПГ в авиации, предусматривающая финансирование создания самолетов, двигателей и инфраструктуры наземных средств получения, хранения и транспортировки СПГ;
• - программа разработки экологически чистого двигателя.

Реализация данных программ позволит отечественной авиации выйти на новый уровень развития и обеспечит ей высокую конкурентоспособность.

Ту-156	Относительная экономичность ГТД при работе на различных видах топлива
НК-88	Ту-154