Гиперзвуковой носитель спутников из Австралии. Источник: naked-science.ru
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».
Ту-155. Источник: edicthai.com
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.
Водородный двигатель Spartan. Источник: naked-science.ru
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.
Delta Velos. Источник: naked-science.ru
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?
Источник: topwar.ru