Водородна авиация
В момента горивните, енергийните и екологичните проблеми стават все по-актуални и мащабни. През следващите десетилетия е невъзможно да се увеличи производството на енергия само за сметка на изкопаемите горива. Това се дължи на ограничените им запаси, нарастващото търсене от тях в други отрасли и замърсяването на околната среда.
Водородът (в течно и газообразно състояние) в момента е най-обещаващият енергиен носител.
Сега броят на самолетите, двигателите, летищата е толкова голям, че смяната на гориво изглежда скъп и отнемащ време процес.
Тази статия накратко очертава основните идеи за постепенния преход на авиацията към криогенно гориво. Тази работа не съдържа класифицирана информация.
Водородът е авиационно гориво
Водородът отговаря на много изисквания към горивата. Водородът осигурява минимално замърсяване на околната среда. Високата масова топлина на изгаряне е приблизително 2,8 пъти по-висока от топлината на изгаряне на керосина, високата му ефективност на изгаряне позволява да се увеличи ефективността на двигателите, да се намали специфичният разход на гориво и да се намалят теглото и размерите на двигателя.
Към предимствата на водорода като авиационно гориво трябва да се добави следното. LH2 се изпарява лесно и бързо се разпространява в горивната камера, което допринася за бързото стартиране на двигателя. Незначителната енергия и широките граници на възпламеняване на водородно-въздушната смес също допринасят за бързото стартиране на двигателя при различни температури и на различна надморска височина. При изгаряне водородът произвежда пламък с ниска емисионна способност и изгаря без образуване на въглеродни отлагания, което позволява да се увеличи експлоатационният живот и надеждността на двигателите. Ниска корозивност на водорода. Включени двигателиLH2 практически не замърсява околната среда. Топлинната абсорбираща способност на водорода е 30 (!) пъти по-висока от тази на керосина, което прави възможно използването му в системи за охлаждане на компоненти на двигатели и самолети. Повишаването на ефективността на охлаждане на турбините позволява да се повиши температурата пред турбината и степента на повишаване на налягането в компресора. Това ще доведе до значително намаляване на специфичния разход на гориво (15-20%) и увеличаване на специфичната тяга на двигателя. Високи кинетични свойства на LH2 като гориво: бързо образуване на смес, устойчивост на високочестотни вибрации. По-малкото тегло на самолета позволява да се намали натоварването на крилото и размерите на крилото. Това ще намали шума в района на летището. Работата върху LH2 ви позволява да създавате компактни горивни камери с по-равномерно температурно поле на изхода. Поради по-високия топлинен капацитет на газа, входната температура ще бъде по-ниска и т.н.
Летателните качества на самолет на LH2 са склонни да се оптимизират при М» 6. Тоест, колкото по-висока е скоростта на самолета и колкото по-голяма е неговата маса, толкова по-целесъобразен е преходът към водород. Повечето от проблемите, свързани с използването на LH2 като авиационно гориво, са свързани с неговата много ниска плътност (63-70 kg/m3) и ниска точка на кипене (20K). Това означава, че резервоарите на самолетите трябва да бъдат сравнително големи и конфигурирани с минимизирано съотношение повърхност/обем, за да се избегнат прекомерни загуби от изпарение и допълнителна изолационна маса. Освен това някои структурни материали стават крехки в LH2.
Помислете за постепенния преход на авиацията към криогенно гориво. Състои се от три етапа.
1. Само няколко летища имат криогенни системи за зареждане с гориво. На този етап се използват конвенционални самолети и самолети с двойно гориво. Последните са съществуващи самолети с монтиран криогенен резервоар.Необходимата маса на водород е 2,8 пъти по-малка от масата на керосина, но поради ниската плътност на водорода необходимият обем на резервоарите е 4,3 пъти по-голям. Такова количество гориво може да се постави над кабината по цялата дължина на самолета. Разбира се, можете да поставите резервоара в кабината, но това ще намали броя на пътническите места и ще увеличи цената на билета. Самолетите с двойно гориво могат да използват както керосин, така и водород. Използването им е оправдано по две причини: а) не изискват задължително наличие на криогенна система на летищата, б) стимулират развитието на криогенна инфраструктура.
2. Най-големите летища имат криогенни системи. Около 50% от пътниците се превозват с водород. На този етап най-разпространеният тип самолети са двугоривните. Керосиновите самолети се заменят с появата на собствено криогенни самолети, включително хиперзвукови. Такива самолети първоначално са проектирани да използват водород. По-голямата част от подемната сила се произвежда от плоския фюзелаж. Малки крила се простират по протежение на целия самолет и завършват с асансьори. Криогенният резервоар е разположен в центъра на фюзелажа по цялата му дължина. От двете му страни има отделения за пътници. Там, където фюзелажът преминава в крилата, има два газотурбинни двигателя. Хиперзвуковите двигатели с външно горене са разположени в опашната част или под крилата. Газотурбинните двигатели се използват при излитане и кацане и при скорости до 1,5-2M. Основният полет се извършва със скорост 6-12M на височина над 18 km с помощта на двигатели с външно горене. Входните и изходните отвори на газотурбинния двигател по това време са затворени от аеродинамични щитове.
С лека промяна в дизайна и инсталирането на ракетен двигател, такъв самолет може да излезе в орбита. Няма ГДД. Вместо това има резервоари с течен кислород. Възможно е също така да се монтират висящи резервоари. Самолетът тръгва от всяко летище, използвайки пътека за рулиране. Използвайкиповдигането на фюзелажа и крилото, той ускорява до 2M. След това се включват самолетни двигатели с външно горене (те използват кислород от атмосферата). Самолетът достига максималната възможна височина и скорост и ракетният двигател отново се включва.
3. Всички летища имат криогенни системи. Двугоривните самолети оцеляват на близко разстояние, като са заменени от криогенни самолети.
Развитието на водородната инфраструктура също е разделено на три етапа.
1. На територията на летищата се изграждат хранилища за течен водород (такива вече съществуват). Доставката се извършва с железопътен транспорт от най-близките фабрики на LH2. Те или сами получават газообразен водород, или чрез тръбопроводи. Самолетът се зарежда с гориво или чрез криогенни тръбопроводи, или от цистерни. Всички описани обекти вече съществуват и се използват успешно.
2. По бреговете на океаните се изграждат ядрени централи за производство на водороден газ. Изграждат се главни тръбопроводи за водород или се модернизират съществуващите. Ражда се единна водородна индустрия. Имайте предвид, че преносът на енергия под формата на водород е по-евтин от преноса на електричество. Това означава, че водородът може да се използва в градски електроцентрали, базирани на изведени от експлоатация газотурбинни двигатели или съществуващи топлоелектрически централи. Това значително ще подобри екологията на големите градове. Транспортирането на газообразен водород е по-безопасно от природния газ, тъй като при изтичане водородът бързо се издига и се разтваря в атмосферата, докато природният газ се натрупва в низините, образувайки експлозивни смеси (два пътнически влака изгоряха в България в края на 80-те години). Водородната индустрия ще направи енергетиката и икономиката на страната независими от петролните кризи и цените на петрола. Всяка страна може да произвежда водород, особено ако използва океанавода (тази вода съдържа горивото за реактора). Големите летища имат собствени заводи за производство на LH2. Те получават газообразни суровини от тръбопроводи. Част от LH2 се транспортира до близките летища, които нямат собствено производство. Част от водородния газ се използва за производство на електричество за летището и града.
3. Всички летища имат собствена фабрика за LH2. Големите летища изстрелват и приемат товари от орбита.
Нека разгледаме четири вида криогенни двигатели.
2. Криогенни газотурбинни двигатели. Такива двигатели са проектирани да използват водород, но имат конвенционални газови турбини като прототипи. За разлика от тях, криогенните двигатели имат малка горивна камера, по-дълъг ресурс на турбината и висока степен на повишаване на налягането в компресора. Водородната система е подобна на двигателите с двойно гориво. Криогенните газотурбинни двигатели ще се използват на дозвукови самолети, както и на хиперзвукови самолети като междинен двигател (излитане - кацане).
3. Хиперзвукови двигатели с външно горене. Те са свързани с предишните типове само чрез системата за подаване на гориво. Във всички останали отношения това е напълно различно устройство. Няма движещи се части (компресор, турбина). Ролята на проточната част на двигателя се изпълнява от тялото на самолета. Горивото се подава директно към повърхността на самолета, където се запалва спонтанно поради високата температура на въздуха.