CC BY
21
УДК: 544.6.018
ВОДОРОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПОВЫШАЮЩИЕ НАДЕЖНОСТЬ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В УСЛОВИЯХ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Ю.Н. Шалимов, М. Лутовац, А.В. Руссу, И.В. Адианов
Рассмотрено проектирование системы обеспечения надежности (резервирования) элементов управления летательным аппаратом. Проанализированы водородные технологии, позволяющие повысить надежность летательных аппаратов различных типов.
Ключевые слова: летательный аппарат, жидкий водород, водородные технологии.
Активное применение авиации на службе МЧС России ставит новые задачи по повышению ее эффективности и безопасности в жестких условиях эксплуатации по величине нагрузки, скорости, надежности и устойчивости. Идет активный поиск новых систем и принципов их функционирования (действия) для удовлетворения возросших требований. Особенно перспективными системами в данном случае являются системы снабжения альтернативными источниками энергии. Научно-техническая информация об использовании альтернативных источников электрической энергии для электропитания бортовых систем всех типов воздушных судов и беспилотных летательных аппаратов в открытых источниках отсутствует [1].
Однако ряд ведущих мировых держав по-прежнему выделяет значительные ассигнования на развитие данной тематики.
Владение эффективными технологиями по использованию альтернативных источников энергии в авиации дает государству существенное качественное преимущество в обороне и гражданской сфере применения.
В свое время в Советском Союзе была разработана конструкция самолета (Ту-155), который работал на жидком водороде с использованием криостатных систем.
Сравнительный вид конструкции летательных аппаратов обычного типа и на жидком водороде представлен на рис. 1.
Рис. 1. Сравнение размеров сверхзвуковых пассажирских самолетов на керосине (вверху) и на жидком водороде (внизу).
Не вдаваясь в подробности конструкции, следует отметить, что летательный аппарат на жидком водороде существенно зависит от наличия пункта заправки, то есть каждый такой пункт требует наличия завода по производству сжиженного водорода. При всем при этом применение в авиации технических решений, основанных на водородных технологиях, является весьма перспективным направлением. С оговоркой, что эти технологии будут применяться в качественно новом содержании.
Особенностью водородных технологий является их многообразие и возможность использования водорода в различном функциональном применении. На данном этапе развития главным назначением водородных технологий является обеспечение безотказной работы дублирующих систем управления летательных аппаратов при отказе (аварийном отключении) основных систем управления.
Ключевым моментом, который сдерживает или, наоборот, расширяет сферу применения водородных технологий, является способ хранения водорода. Известны следующие способы хранения водорода. Во-первых, баллонное в виде газа. Причем в последнее время отдается предпочтение материалам на основе органических композитов. Во-вторых, в сжиженном виде с использованием криостатов, а также в жидкой фазе в виде боргидридных соединений, например Ве (Ве(ВН4)2), А1 (Л1(ВИ4)з). В последнее время усиленно разрабатываются методы хранения водорода в твердофазной системе в виде гидридов металлов побочной восьмой группы. При этом в основном используются благородные металлы (платина, родий, палладий). Как правило, они применялись и применяются для хранения водорода для объектов оборонного характера. Кроме того, высокой склонностью взаимодействия с водородом обладают некоторые редкоземельные элементы.
Принципиально новые результаты в данной области были представлены в работах сотрудников ВПИ, в частности, Э.А. Гранкина, а также других
исследователей [2], было установлено, что водород легко взаимодействует с электролитическими металлами по дефектам структуры. По экспериментальным результатам наших исследований [2, 3] было также установлено, что количество водорода в объеме металлов, полученных электролитическим способом, на 2-з порядка превышает этот показатель в сравнении с металлами, полученными другими способами. Кроме того, следует указать, что металлы находящиеся в аморфном состоянии, то есть не имеющие четкой кристаллической структуры, поглощают водород в 1,5-2 раза больше, чем металлы кристаллической структуры. С точки зрения экономики, экологии и энергетики для летательных аппаратов следует рассмотреть перспективу образования гидридов таким элементом, как алюминий. Он относится к элементам, имеющим широкое распространение в природе. И что наиболее ценно для авиации имеет малый удельный вес. Что касается бериллия, то его применение для хранения водорода ограничено по причине особой токсичности соединений этого элемента.
Следует отметить, что в качестве дефектов структур могут выступать межзеренные границы, дислокации, уходящие на поверхность, центры кристаллизации для гальваноосадков.
Определенные перспективы просматриваются в технологиях использования импульсного электролиза для формирования структур с высокой степенью дефектов, определяющих количество аккумулируемого водорода. Кроме того, использование импульсного электролиза позволяет осуществить формирование металлических структур с высокой степенью развития (рис. 3). Это необходимо для осуществления работы источника с большой энергией потребления в единицу времени. Поскольку структура такого типа обладает эффектом редукции, то есть извлечение водорода происходит постепенно, без лавинообразного эффекта (хлопка), это особенно ценно для регулирования режимов работы источников энергии.
а) больших токов и короткого времени использования; б) малых токов и большего времени использования
Рис. 2. Морфология структуры электрода водородного аккумулятора, работающего в режиме а) и б)
Именно древовидная структура дает редукционный эффект.
Предлагаемый нами вариант хранения топлива в твердой фазе гидридной формы предполагает, что весовой процент водорода может быть предельно доведен до 9 при хранении его в виде гидрида алюминия. В качестве наиболее эффективного материала следует указать, что для этих целей лучше использовать сплав алюминий-бор, в котором концентрация бора изменяется в пределах 1-3% по отношению к общему весу сплава. Наличие бора обеспечивает получение структуры, в которой дефекты формируются уже в процессе образования сплавов по границам зерен. В своих исследованиях мы также установили, что температура экстракции водорода из элементов хранения может быть значительно снижена за счет изменения концентрации бора в составе сплава. Поскольку мы снижаем затраты энергии при выходе накопителя на рабочий режим, это позволяет увеличить емкость накопителя при аналогичных затратах на его производство.
Существующее мнение, что максимальные объемы водорода могут быть аккумулированы в порошках (пудра, паста, гели) на основе алюминия, является ошибочным. Причина проста: алюминий, независимо от наличия любого количества влаги, в среде формирует на поверхности оксидную пленку, то есть контакт свободного атома алюминия с жидкой фазой невозможен из-за наличия оксидной пленки на его поверхности.
Проблема также состоит в том, что чистый гидрид алюминия представляет собой систему с большой шириной запрещенной зоны. Поэтому возбудить одновременно все системы, содержащие гидрид металла, не представляется возможным, требуется некоторое время для передачи импульса, направленного на возбуждение молекулы гидрида и осуществление процесса дезинтеграции с получением свободного водорода. Это обстоятельство является существенным
препятствием для получения технологии двойного назначения (осуществления взрыва).
Библиографический список
1. Винокуров С.Д. Требования к электрохимическим генераторам для наземного обслуживания воздушных судов. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА имени проф. Н.Е.Жуковского и ЮА.Гагарина», 2015. - 191 с.
2. Гранкин Э.А. Влияние условий электролиза и термической обработки на внутреннее трение и коррозионную стойкость электролитического хрома: диссс. канд. тех. наук. - Воронеж, 1973. - 116 с.
3. Шалимов Ю.Н. Оптимизация электрохимического процесса обработки алюминиевой фольги в производстве конденсаторов / Ю.Н. Шалимов, И.М. Мандрыкина, Ю.В. Литвинов. - Воронеж: ВГТУ, 2000. - 343 с.
Таким образом, концептуальное
проектирование системы обеспечения надежности (резервирования) элементов управления летательным аппаратом предполагается
осуществлять в двух вариантах:
Использовать для систем резервирования источник энергии на основе аккумулирования водорода, совмещенный с топливным элементом на твердых электролитах.
Производить резервирование самой системы привода, а не только источника. То есть осуществить резервирование исполнительного механизма на основе альтернативного принципа действия (например, осуществляя переход от механических полей к электромагнитным, используя энергетический ресурс новых топливных элементов).
Дополнительно, поскольку может быть существенно увеличена емкость источников электропитания бортовых систем,
электрохимические процессы в самом широком смысле могут быть использованы для реализации условий безопасного способа очистки воздуха для экипажей летательных аппаратов. Надежность таких систем обеспечена применением процессов, в которых исключено наличие механических систем. Например, разработанная нами система очистки воздуха включает в себя элементы конструкции электродов, обеспечивающих процесс уничтожения бактерий. При этом реализуется возможность создания регулируемого потока воздуха со скоростями перемещения до 3-х м/с.
В перспективе по мере совершенствования технологии может быть реализована возможность обеспечения энергией и двигательных установок тоже, когда в качестве систем питания используются водородные картриджи на основе гидридов алюминия. Такие системы не требуют преобразователей на основе топливных элементов и в перспективе запасы топлива могут храниться на резервных аэродромах в безопасном состоянии. Все необходимые предпосылки для такого качественного перехода в применении водородной технологии уже есть.
References
1. Vinokurov S.D. Trebovanija k jelektrohimicheskim generatoram dlja nazemnogo obsluzhivanija vozdushnyh sudov. - Voronezh: VUNC VVS «VVA imeni prof. N.E.Zhukovskogo i Ju.A.Gagarina», 2015. - 191 s.
2. Grankin Je.A. Vlijanie uslovij jelektroliza i termicheskoj obrabotki na vnutrennee trenie i korrozionnuju stojkost' jelektroliticheskogo hroma: disss. kand. teh. nauk. - Voronezh, 1973. - 116 s.
3. Shalimov Ju.N. Optimizacija jelektrohimicheskogo processa obrabotki aljuminievoj fol'gi v proizvodstve kondensatorov / Ju.N. Shalimov, I.M. Mandrykina, Ju.V. Litvinov. - Voronezh: VGTU, 2000. - 343 s.
HYDROGEN TECHNOLOGY THAT IMPROVES THE RELIABILITY OF AIRCRAFT OF VARIOUS TYPES, USED IN EMERGENCIES
The development of a system reliability (redundancy) elements of control of the aircraft. Analyzed hydrogen technologies to increase the reliability of aircraft of various types. Keywords: aircraft, liquid hydrogen, hydrogen technologies.
Шалимов Ю.Н.,
д.т.н., проф.,
научный руководитель НПП «ЛУЧ»,
Россия, г. Воронеж.
Shalimov Yu. N.,
Dr.Tech. Sci., Prof.,
scientific supervisor of NPP «LUCH»,
Russia, Voronezh.
Лутовац М.,
академик,
Республика Сербия, г. Белград. Lutovac M.,
academician,
The Republic of Serbia, Belgrade .
Руссу А.В.,
инженер,
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж. Rusu A. V., engineer,
Voronezh state technical University, Russia, Voronezh.
Адианов И.В.,
инженер,
Воронежское акционерное самолётостроительное общество, Россия, Воронеж. Adianov I. V.,
engineer,
Voronezh aircraft joint-stock company, Russia, Voronezh.
© Шалимов Ю.Н., Лутовац М., Руссу А.В., Адианов И.В., 2016
