Перспективы применения альтернативных топлив в авиации Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

щ

Транспорт на СПГ

Перспективы применения альтернативных топлив в авиации

В.В. Малышев,

зам. главного конструктора ОАО «Туполев», профессор, д.т.н., В.И. Солозобов,

зам. генерального конструктора ОАО «Туполев»

Одним из основных элементов энергетической безопасности общества является обеспеченность топливом, в том числе и транспорта. В настоящее время нефтяное топливо по-прежнему остается основным на транспорте, для авиации - это авиационный керосин. В последние годы вследствие сокращения запасов нефти и увеличения потребления стоимость авиакеросина постоянно растет, и поэтому сегодня расходы на топливо составляют 15-20% эксплуатационных расходов самолета. Кроме того, авиация наносит заметный экологический ущерб, несмотря на то, что потребляет всего лишь около 3% добываемых энергоресурсов. Однако выбросы в высоких слоях атмосферы продуктов сгорания, особенно окислов азота, которые производят магистральные самолеты, крайне вредны.

Таким образом, исходя из экономических и экологических требований, можно сделать вывод, что для авиации необходимы альтернативные энергоносители.

Для России ситуация усугубляется еще и наличием регионов, куда нефтяные топлива доставляются с большими финансовыми затратами, в том числе и по воздуху. В то же время эти регионы располагают другими энергоносителями, например, природным газом.

Особенность авиации состоит в том, что по условиям минимальных масс и габаритов топливных баков, а также простоты использования, альтернативными могут быть только жидкие топлива. Поэтому упомянутый выше природный газ и еще более перспективный водород могут быть использованы в качестве авиационного топлива только в жидком виде. Сложность заключается в том, что сжиженный природный газ и жидкий водород - криогенные жидкости, что создает дополнительные технические трудности при их хранении и транспортировке.

Наиболее перспективным энергоносителем будущего является жидкий водород, обладающий на-

ивысшим из известных горючих энергосодержанием. Этот фактор, например, делает жидкий водород единственным горючим, применение которого позволит создать одноступенчатый воздушно-космический самолет (ВКС). Применение жидкого водорода в магистральной авиации позволит существенно повысить дальность или грузоподъемность самолетов и решить экологическую проблему, так как водород получается из воды и, сгорая, то есть соединяясь с кислородом воздуха, снова превращается в воду. Основным препятствием к широкому использованию является высокая стоимость его получения по сравнению с углеводородными топливами.

Исходя из этого, на первом этапе целесообразно применить наиболее дешевое топливо - сжиженный природный газ (СПГ). СПГ до 98% состоит из метана, имеет примерную температуру при атмосферном давлении -162°С (то есть как и жидкий водород, имеющий температуру при аналогичных условиях -252°С) и, как уже было сказано, является криогенным. Однако для использования СПГ необходимо решить более простые технические задачи, в первую

очередь, потому, что его температура значительно выше температуры ожижения кислорода воздуха. При этом накопленный опыт частично может быть использован при создании и эксплуатации самолета на жидком водороде.

По данным различных источников в России разведанные запасы природного газа составляют около 40% мировых, что позволяет сделать его массовым топливом более чем на 80 лет. А с учетом неразведанных природных запасов и при использовании нетрадиционной добычи газа, например, из угольных пластов и из газовых конденсатов, газовая эра по прогнозам ученых может продлиться еще сотни лет. СПГ значительно дешевле авиационного керосина, особенно в северных районах, и при его применении вредных выбросов меньше в 3-4 раза, причем, парникового газа - двуокиси углерода - меньше на 10-12%.

В настоящее время природный газ все шире используется в народном хозяйстве, а газопроводы проложены вблизи большинства аэродромов. Ожижительное оборудование для получения СПГ хорошо освоено и может использоваться непосредственно на аэродроме или рядом с ним.

Одной из важнейших задач при создании самолета является обеспечение его взрывопожаробезопаснос-ти при эксплуатации. При грамотном конструировании силовой установки самолета криогенное топливо менее опасно по сравнению с авиационным керосином. Так, даже при небольших утечках криогенного топлива оно быстро испаряется полностью, при этом создается его концентрация, достаточная для обнаружения газоанализаторами, что позволяет принять меры безопасности до воспламенения газовоздушной смеси.

Это практически невозможно сделать при применении керосина, так как пары керосина в воздухе не

Транспорт на СПГ

ЕЙ

Среднемагистральный пассажирский самолет ТУ-204К с двигателями ПС-90АСК

Размеры

Длина самолета, м..........................................................46

Высота самолета, м......................................................13,9

Размах крыла, м..............................................................42

Масса, т

Взлетная масса.........................................................110,75

Максимальная полезная нагрузка..............................25,2

Масса топлива, т:

СПГ..........................................................................22,5

керосин.....................................................................4,5

Летные данные Дальность полета при максимальной

полезной нагрузке, км................................................5600

Крейсерская скорость, км/ч.........................................850

Высота крейсерского полета, м...............................11600

Длина ВПП, м...............................................................2500

Двигатели

Количество и тип..........................................2 х ПС-90 АСК

Взлетная тяга, кгс.....................................................16400

могут надежно обнаруживаться газоанализатором. Поэтому в настоящее время на самолетах, использующих авиакеросин, регистрируется только уже возникший пожар. Топливные баки, содержащие криогенное топливо, не могут взорваться в аварийных условиях, так как по условиям применения в них отсутствует кислород, без которого воспламенение невозможно. При разливе криогенного топлива в результате неудачной посадки или катастрофы оно быстро испаряется и улетучивается вследствие того, что его пары легче воздуха. При этом конструкция самолета в основном не повреждается. Таким образом, известные виды топлива можно представить последовательной цепочкой, в которой опасность возрастает слева направо: жидкий водород - СПГ - авиационный керосин.

Реальность создания моделей самолетов, использующих в качестве топлива жидкий водород и СПГ, доказана испытаниями и опытной эксплуатацией экспериментального самолета Ту-155 с двигателем НК-88, созданного на базе серийного самолета Ту-154.

На экспериментальном самолете Ту-155 было установлено криогенное оборудование, спроектированное не по самолетной технологии (большие габариты, масса и т.п.), так как основной задачей этого самолета было определить принципиальную возможность создания криогенной авиации. Для криогенного самолета

необходимо разработать и испытать авиационные криогенные конструкции элементов силовой установки, включающие топливные баки, трубопроводы и агрегаты.

И здесь одной из главных задач является разработка криогенного топливного бака, обеспечивающего хранение, транспортировку и выдачу криогенного топлива в процессе эксплуатации. Важно, что значительную часть испытаний конструкции бака можно проводить на пожаробезопасном и более дешевом жидком азоте, который имеет близкие теплофизические характеристики. Существенное значение имеют внут-рибаковые теплофизические процессы, влияющие на функционирование и безопасность силовой установки. Исследование этих процессов с целью выбора оптимальных изоляции и внутрибаковых конструкций возможно проводить на баках малой размерности с использованием жидкого азота, который также является криогенной жидкостью, с последующим перерасчетом на натурные баки с СПГ или жидким водородом.

В основе методики такого перерасчета лежит уравнение теплового баланса:

с!Т X у (То-Т),

О, 5

(1)

где V - смоченный объем бака, м3; у - удельный вес жидкости в баке, кг/м3;

с - теплоемкость жидкости в баке, ккал/кг град;

F - смоченная поверхность бака, м2;

X - теплопроводность теплоизоляции, кал/с м град;

5 - толщина теплоизоляции, м;

Т - температура жидкости в баке, К;

ТО - температура окружающей среды, К.

В этом уравнении не учитывается стратификация криогенной жидкости, которой в полете не будет, так как вследствие работы внутрибаковых насосов происходит перемешивание жидкости.

Кроме того, уравнение (1) не учитывает теплоприток от работающих насосов и с верхней поверхности бака, которые не превышают 10% от общего теплопритока. Учесть эти теп-лопритоки можно, приплюсовав их к правой части уравнения (1).

Обозначая параметры криогенного топлива индексом (1), а жидкого азота индексом (2), преобразуя уравнение (1), получим значение производной температуры в баке с криогенным топливом по производной температуре жидкого азота при одинаковом времени выработки жидкости из бака:

«1Т1 VI Хя (То - Т2) 81 71 С1

Т'1 = — = Т'2-(2)

ё, Б, У2Х., (Т0-Т,)52у2с2

При этом время выработки криогенного топлива из натурного са-

ГШ

Транспорт на СПГ

молетного бака и жидкого азота из модельного бака должно быть одинаковым.

Этот пример подтверждает, что, благодаря использованию безопасного азота, можно значительно упростить испытания криогенного бака.

Конечно, переход на криогенные топлива, особенно на жидкий водород, - шаг для авиации революционный, требующий значительных материальных затрат. Однако, как показал опыт создания и испытаний самолета Ту-155, эта задача вполне разрешимая. На базе этого опыта специалистами ОАО «Туполев» разработано техническое предложение на модификацию среднемагистрального пассажирского самолета Ту-204-Ту-204К, использующего в качестве топлива СПГ.

Литература

1. И.С. Шевчук. «Туполевская альтернатива». «Аэрокосмическое обозрение» № 3 2006 г.

2. В.В. Малышев, Е.Н. Пронин. «О проблеме альтернативных авиационных топлив», «Энергия», РАН, М. № 5 2001 г.

3. Г. Маргунов. Энергетика «От дров до межконтинентальных нефтегазовых потоков». М. 2005 г.

4. В.А. Андреев, В.И. Солозобов. «Разработка самолетов на криогенных топливах», «Полет», 2002 г.

5. М.М. Опарин, В.В. Малышев. «Будет ли в России отечественная криогенная авиация?», «Военно-промышленный курьер», № 13 2005 г.

6. С.В. Бочкарев, Р.Н. Абдршин, В.Ю. Котов. «Анализ мировой и отечественной практики использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива», Казань, 2004 г.

7. В.В. Малышев. «Первым делом - самолеты», Энергия. РАН, М. № 7 2005 г.

8. Техническая информация ЦАГИ, № 2 1989 г.

9. Газета «Аргументы и факты», № 12, 2005 г.

Принятие Закона о страховании опасных объектов откладывается

Его рассмотрение перенесено на следующий год.

Напомним, законопроектом предполагается, что все организации,

эксплуатирующие опасные объекты (промышленные, гидротехнические

сооружения, а также автозаправочные и газонаполнительные станции), должны будут застраховать свою ответственность перед третьими лицами за нанесение вреда жизни и имуществу.

http://taxhelp.ru/new/view_article.php?article_id=14327

ЭТАНОЛ

с qhwess а е у по ■: м ■■ pr:. ги>а. mqico w rus ■ ■

"И АЦИОКАПЬНДЯ БиОТОПЛИВНАЯ ССОЦИАЦИЯ"

МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОНГРЕСС

"ТОПЛИВНЫЙ БИОЭТАНОЛ - 2008

п

Российская Национальная Ьиотоплианая Ассоциация приглашает вас принять участие в Третьем Международном Ко нгре«е "То плавный Би о эта код ■ 2008". Конгресс пройдет 23-24 апреля 2008 г. в Москве и отеле "Ренессанс" (Олимпийский 11рОСпекг 18/1)

Конгресс станет местом длч обмена знаниями и опытом специапистон биотоплипной промышленности, ученых, профессионалов автомобильной и нефтяной отраслей vi правительства.

Участим получат всесторонний обзор отрасли, начинай с сырья и заканчивав продажами биотоплива с обсуждением технологий производства и приме нения бйШанола.

Участие в Конгрессе позволит значительно расширить перспективы бизнеса, напрямую встретиться с ведущими специалистами, Представителями аграрного сектора, инвесторами и инжениринговыми компаниями, профессионалами в области самого стремительно растущего биотопливного мирового рунка, России и стран СНГ

Конгресс проводится при поддержке Государственной Думы, Министерства сельского газяйства, Министерства промышленности и энергетики. Министерства экономического развития. Российского Зернового tofisa, Общества Биотехнологов России.

Узнать дальнейшие подробности и зарегистрироваться для участия:

Телефон: (495) 585-5167 Факс (495) 535-5449

й ■ ■ < ä , ■JiTw 'liHAl' SA' ЛШЛ

Сайт: www.biotoptivo.ru Email: congreafrbiotcplivo^u

. -f. ™r

■I

шШшик £ l Яга