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

Однако 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.

Начало работ над самолётом ДРЛО А-50 совпало по времени с последней попыткой ОКБ Туполева предложить свой носитель комплекса «Шмель». Таковым должен был стать Ту-156 (уже не на основе Ту-142), общий вид которого по последнему варианту проекта очень напоминал американский самолёт Е-ЗА.

Макет Ту-156. В таком ракурсе машина очень сильно напоминает американский Е-ЗА

Макет самолёта ДРЛО Ту-156. Хорошо видна третья основная опора шасси под фюзеляжем

Размах крыла 45,8 м

Длина52,5 м

Высота на стоянке 14,6 м

Диаметр фюзеляжа3,8 м

Площадь крыла 307 м

Максимальная взлётная масса 182 т

Крейсерская скорость 720 км/ч

Дальность полёта 5200 км

Продолжительность полёта 8,1 ч

Практический потолок 10 000 м

Экипаж 9 человек

Двигатели 4хД-30КП

Тяга 4x12 000 кг

Самолёт АРАО Ту-156 (проект)

Эта машина специально разрабатывалась как самолёт ДРЛО и не являлась модификацией какой-либо серийной военной или гражданской машины. Четыре двигателя Д-30КП располагались на пилонах под крылом. Антенна РЛС устанавливалась на двух лёгких пилонах над фюзеляжем.

Ту-156 отличался совершенно необычным и редко встречающимся в практике самолётостроения четырёхопорным шасси. Четвёртая опора монтировалась между двумя основными на центроплане. Самолёт нес оборонительное вооружение в виде хвостовой спаренной дистанционно управляемой пушечной установки.

Всё было хорошо в этом проекте, за исключением одного: самолёт-носитель надо было создавать заново, а это требовало времени и дополнительных средств. Новая же машина требовалась ВВС срочно, поскольку к началу 1970-х гг. страны НАТО обладали мощными ВВС, способными прорывать противовоздушную оборону СССР и его союзников на малых высотах. Поэтому при рассмотрении заказчиком различных проектов его мнение склонилось в пользу размещения комплекса «Шмель» на базе военно-транспортного самолёта Ил-76, который в 1971 г. уже запускался в серию.

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:

Самолет ДРЛО Ту-156 (проект).

Разработчик: ОКБ Туполева
Страна: СССР
Проект 1969 г.

Ту-142М отвергли из-за сложности нормального размещения аппаратуры комплекса «Шмель» на самолете из-за малого диаметра и объема фюзеляжа, хотя ВВС настаивали именно на Ту-142М (повторялась один в один история с первоначальным выбором Ту-95 для Ту-126). Ту-154 отвергли из-за необходимости существенной переделки базовой конструкции и сравнительно небольшой продолжительности полета. Наиболее подходящим для этих целей, как показал проведенный анализ, оказался «старичок» Ту-126, но поскольку его производство к тому времени на КуАЗ свернули и всю оснастку разобрали, этот выбор носил чисто «академический» характер.

Анализ самолета-носителя комплекса «Шмель» в данном случае давал исходный материал для проектирования нового самолета. В последствии в ОКБ такую попытку предприняли: под комплекс «Шмель» был подготовлен аванпроект совершенно нового самолета Ту-156 (самолет «156») с четырьмя двигателями Д-30КП , близкого по своим основным компоновочным решениям к американскому E-3A. Столь радикальное предложение ОКБ принято не было, заказчик настаивал на использование одного из серийных самолетов.

Самолет ДРЛО Е-3А ВВС США.

В результате выбор ВВС пал на проект А-50 , предусматривавший использование серийного транспортного Ил-76МД .

ЛТХ (расчетные):

Модификация: Ту-156
Размах крыла, м: 45,80
Длина самолета, м: 52,50
Высота самолета, м: 14,60
Площадь крыла, м2: 307,00
Масса, кг
-пустого самолета: 107350
-максимальная взлетная: 182000
Тип двигателя: 4 х ТРДД Д-30КП
Мощность, кВт: 4 х 12000
Максимальная скорость, км/ч: 840
Крейсерская скорость, км/ч: 720
Практическая дальность, км
-без дозаправки: 5200
-с дозаправкой: 6800
Практический потолок, м: 11000
Экипаж, чел: 9.