Летающая лаборатория Ту-155 проложила дорогу в небо криогенному топливу

Экипаж Ту-155 после первого полета на криогенном топливе. Снизу вверх: В.А. Севанькаев, В.В. Павлов, В. В. Архипов, А.А. Криулин, Ю. М. Кремлев.

С топливом проблем не будет

В середине 1980-х годов у специалистов ОАО «Туполев» появилась возможность создать самолет, работающий на сжиженном газовом топливе, в частности на водороде. Это почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании в основном воду и незначительное количество оксидов азота. По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин.

Были и другие аргументы в пользу этого выбора. Полным ходом шла работа над созданием отечественного космического корабля многоразового использования «Буран». (Он совершил свой первый и единственный полет 15 ноября 1988 года.) Топливной парой одной из ступеней ракеты-носителя космического челнока служили жидкие кислород и водород. В СССР уже были разработаны технологии и оборудование для производства и хранения водородного компонента. Предполагалось, что производство поставят на промышленную основу и с топливом не будет проблем.

С инициативой создания такого самолета, использующего в качестве топлива жидкий водород, выступил сын Андрея Николаевича Туполева, в то время генеральный конструктор ОКБ Алексей Андреевич Туполев. Эта программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации.

На базе пассажирского лайнера Ту-154 туполевцы построили летающую лабораторию Ту-155. Проектировщикам пришлось существенно изменить компоновку самолета и решить целый ряд сложнейших технических задач, поскольку водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (273 °C ниже нуля). И это представляло очень серьезную проблему.

В хвостовой части фюзеляжа, где был пассажирский салон, туполевцы оборудовали герметичный отсек и установили в нем криогенный бак на 20 куб. м жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией.

Правый двигатель самолета заменили модифицированным НК-88, созданным в Самаре в двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8–2 и работающим на жидководородном топливе. Двигатель мог работать и на сжиженном природном газе. Для подачи водорода вместо привычного насоса установили высоконапорный турбонасосный агрегат наподобие тех, что используются в ракетных двигателях.

Чтобы обеспечить взрыво- и пожаробезопасность самолета, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку – источник возможного образования искры. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, которая отводит из бака пары водорода на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества. Установили азотную систему, замещающую азотную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации.

Интересно отметить, что система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы. Всего было сконструировано более 30 дополнительных бортовых систем.

Должность – «бегущий» инженер

Переоборудованный таким образом Ту-155 впервые поднялся в воздух 15 апреля 1988 года. Его пилотировал заслуженный летчик-испытатель Владимир Андреевич Севанькаев. В состав экипажа входили второй пилот Валерий Викторович Павлов, борт-инженер Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель Валерий Владимирович Архипов.

«Я попал на этот самолет, в общем-то, случайно, – вспоминает В.В. Архипов, ведущий инженер по летным испытаниям самолетов, заслуженный испытатель космической техники РФ. – В то время работал в ЛИИ им. М.М. Громова в отряде космонавтов Игоря Волка, который его и возглавлял, и готовился к полетам на космическом самолете «Буран». В 1984 году пришел приказ министра авиационной промышленности СССР о командировании меня на Ту-155 в качестве ведущего инженера по летным испытаниям. Почему меня? Я имел неплохое летное и инженерное образование, немалый опыт работы в течение восьми лет в ЛИИ на испытательной работе».

Ведущий инженер – это главная фигура во всех видах испытаний. Ведь летающая лаборатория для испытаний авиадвигателей – это огромный летающий стенд. Работа не из обычных. Ведь ни воздушные ямы, ни сильное воздействие работающего опытного двигателя не должны машину сбить с маршрута.

После полета летчики идут отдыхать, а у ведущего инженера начинается основная часть работы. Ему необходимо организовать проявку и расшифровку полученных материалов, сделать быстрый экспресс-анализ результатов. Наконец, организовать следующий полет, утрясти сроки проведения испытаний и заполнить полетный лист с заданием. В учет берутся даже характер, темперамент, наклонности и опыт летчика-испытателя. В общем, порой ведущих инженеров называют «бегущими» за большой объем работы.

И конечно же, испытания есть испытания. Назову сейчас никому не известные фамилии героев – инженеров, погибших в полете: А.С. Карпов, А.Е. Брук, С.А. Мальберг, Д.А. Гинсбург, М.Е. Рылеев, Р.Г. Ленский…

Самолет Ту-155 на несколько десятков лет опередил свое время в плане конструкторских решений.

Итак, слово снова представляется Валерию Архипову.

«Я до сих пор помню этот теплый и солнечный день на Жуковской летно-испытательной и доводочной базе Туполева (ЖЛИиДБ).

Несмотря на хорошую погоду, на душе было тревожно. Как же, предстояло сделать первый полет на самолете, заправленным водородом, который местные аэродромные остряки называли «Хиросимой», газовой камерой или вообще «атомной бомбой»!

Я участвовал во всех этапах наземных испытаний, когда выполнялась проверка функционирования всех экспериментальных систем, включая работу двигателя НК-88 на жидком водороде.

Я был уверен в надежной работе материальной части самолета и двигателя, но все равно волновался. Но меня утешил генеральный конструктор НК-88 Николай Дмитриевич Кузнецов, который подошел ко мне и сказал:

– Валера, все будет хорошо. Ты понимаешь, что не имеешь права на ошибку. Над этой темой работали тысячи людей, и ты не имеешь права их подвести. И еще раз повторю, все будет нормально!»

Потом самолет заправили водородом и азотом. Экипаж самолета занял свои места. Полет продолжался всего 21 минуту. Он завершился чуть раньше намеченного, потому что ведущий инженер Валерий Архипов зафиксировал наличие азота в топливных баках, который должен был автоматически появиться только при утечках водорода.

Архипов дал команду на окончание полета, и самолет, несмотря на недоуменные взгляды экипажа, благополучно приземлился. Уже на земле выяснилось, что утечки водорода не было, а был виноват баллонный азотный вентиль, который разгерметизировался при эволюциях самолета. У Архипова тогда появилась первая седая прядь в волосах…

В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа.

Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 серьезно обогатили отечественную науку и технику. Был приобретен опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, накоплен опыт в разработке технологических процессов изготовления таких систем, удалось освоить новое оборудование и новые технологические процессы. Наработан опыт обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом.

В ОКБ А.Н. Туполева в 70-е и 80-е годы прорабатывались и другие проекты летательных аппаратов на альтернативных видах топлива. Существовало несколько проектов самолетов на жидком водороде – Ту-160В и Ту-144В. Жидкий водород предполагалось использовать в качестве топлива в двигателях гиперзвукового ударного самолета «360», работы над которыми велись в ОКБ А.Н. Туполева. Жидкий водород планировалось использовать как основной вид топлива в проекте воздушно-космического самолета Ту-2000.

Как вспоминал Архипов, в зарубежных источниках оценки достигнутых в СССР результатов были очень высокими. Американцы оценивали свое отставание в десяток лет.

Предпринимаемые сегодня попытки полетов с использованием в качестве топлива жидкого водорода выдаются за пионерские. Но первым в истории мировой авиации навсегда останется ОКБ А.Н. Туполева, в котором создали и испытали действительно первый в мире самолет, способный использовать жидкий водород.

Двигатель НК-88, который устанавливался на экспериментальный самолет.  Фотографии из архива автора

В 1989 году самолет переоборудовали на использование сжиженного природного газа (температура −162 °C). Он получил название Ту-156.

Сниженный природный газ обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с традиционными авиационными топливами. Теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина. Применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное экологическое влияние на окружающую среду.

При оборудовании самолета были дополнительно установлены гелиевая система (для управления силовой установкой), азотная (замещает обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждает об утечке криогенного топлива), система контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.

Первый испытательный полет на сжиженном газе был совершен 18 января 1989 года. После полета генеральный конструктор Алексей Андреевич Туполев сказал: «Сегодня впервые в мире поднялся самолет, используя в качестве топлива сжиженный природный газ. И мы надеемся, что этот первый полет этого самолета даст нам возможность собрать все научно-экспериментальные данные и построить самолет, на котором уже в ближайшее время смогут летать пассажиры».

Вслед за экспериментальным самолетом Ту-155 в работах ОКБ А.Н. Туполева появилась тема Ту-156, предусматривавшая создание на базе Ту-154Б и Ту-154М грузовых и пассажирских самолетов с силовой установкой на СПГ. В отличие от своего предшественника (серийного самолета Ту-154М) Ту-156 был оснащен тремя двигателями НК-89 с раздельными топливными системами (одна штатная – для керосина, другая – криогенная, для СПГ).

На воздушных судах, работающих на СПГ, проблема обеспечения взрыво- и пожаробезопасности имеет свою специфику. Если нарушается герметичность топливной системы самолета, заправленного традиционным горючим – керосином, он как слабоиспаряющаяся жидкость заполняет сравнительно малый объем, и хотя обнаружить утечку очень трудно, опасность пожара или взрыва невелика.

На самолетах, работающих на СПГ, все гораздо серьезнее. В случае утечки газа из топливной системы он быстро заполняет отсеки планера. Поэтому, чтобы избежать возможного воспламенения метана, убирают все искрообразующее электрооборудование и устанавливают газоаналитические датчики. Кроме этого, в отсеках предусмотрена принудительная вентиляция. При таком компоновочном решении грузоподъемность Ту-156 снизилась с 18,8 т (у базового Ту-154С) до 14 т.

Зато дальность перевозки груза, по расчетам, будет не меньше 2600 км при работе на СПГ, а на СПГ и керосине – 3200 км. Благодаря двум раздельным топливным системам (для керосина и СПГ) Ту-156 сможет заправиться газом, совершить полет в аэропорт, где пока нет оборудования для его производства и хранения, и улететь оттуда на керосине. В нештатной ситуации перейти с одного вида топлива на другой можно за пять секунд. Эти преимущества повышают безопасность полетов и делают авиалайнеры на СПГ более мобильными.

В свое время из-за нехватки средств Самарский авиационный завод не смог построить три самолета Ту-156. Поэтому не были отработаны не только проектно-конструкторские решения, но и технология эксплуатации и обслуживания самолетов на криогенном топливе. Завершение этих работ дало бы толчок к началу более широкого применения сжиженного природного газа в авиации.

Специалисты из Центрального аэрогидродинамического института, Центрального института авиационных материалов и НИИ газа подсчитали, во сколько обойдется переоборудование под новое топливо, например, самолета Ту-204 и аэродрома, на котором он будет базироваться. Выяснилось, что затраты увеличатся лишь на 5% от стоимости летного часа. То есть все окупится примерно за три месяца.

Криогенное будущее

В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа. После 12 полетов самолет переоборудовался для испытаний двигательной системы на сжиженном газе в интересах европейского концерна Airbus.

Концерн недавно представил три концепции перспективного лайнера Airbus, который будет летать на водородном топливе. Они получили кодовое название ZEROe (от англ. zero emissions – «нулевые выбросы»).

Первый самолет, Airbus A320neo, рассчитан на 120–200 пассажиров и сможет преодолевать расстояние более 3700 км. Самолет оснащен модифицированными газотурбинными силовыми установками. Баки для водородного топлива будут расположены в герметизированном отсеке в хвостовой части самолета.

Второй вариант лайнера с турбовинтовыми двигателями сможет осуществлять полет на расстояние от 1800 км и принимать на борт до 100 пассажиров. Он предназначается для внутренних рейсов и работает на модифицированных водородных газотурбинных двигателях.

Самая интересная новинка – пассажирский самолет с турбовентиляторными двигателями, выполненный по схеме «летающее крыло». Лайнер сможет принимать на борт до 200 пассажиров и преодолевать расстояния более 3700 км. При этом его конструктивные особенности позволяют применять самые разные комбинации компоновки салона и хранения топлива.

Перспективное летательное средство планируется ввести в эксплуатацию к 2035 году.

Между тем 29 сентября 2016 года первый полет осуществил HY4 – первый в мире пассажирский самолет с двигателем на основе водородных топливных элементов. Он создан на базе электрического самолета Pipistrel Taurus Electro G4 (Словения). Низкотемпературные мембранные топливные элементы с протоннообменной мембраной превращают заключенную в водороде химическую энергию в электрическую, которая и вращает винт самолета. В боковых фюзеляжах самолета HY4 располагаются водородные баки, каждый из которых вмещает 9 кг водорода под высоким давлением.

На данный момент водородные топливные элементы вырабатывают энергию, достаточную только для горизонтального полета. При взлете и наборе высоты работает литий-полимерная аккумуляторная батарея емкостью 21 кВт·ч, которая добавляет в двигатели дополнительную энергию.

Свой первый полет HY4 осуществил в аэропорту немецкого города Штутгарта. Самолет пробыл в воздухе около 15 минут. В перспективе есть планы создать региональный самолет вместимостью до 19 пассажиров.

Американская компания AeroVironment построила первый в мире беспилотный самолет, питающийся жидким водородом, и уже провела ряд испытаний новинки в небе. Global Observer HALE может летать на высоте до 20 км в течение недели.

В качестве полезной нагрузки может выступать аппаратура для телекоммуникаций (самолет в роли ретранслятора), техника для съемки земной поверхности или для контроля над погодой. Компания не раскрывает детали устройства этого самолета, но, судя по всему, водород питает топливные элементы, которые дают ток для восьми электромоторов с воздушными винтами, расположенными на крыльях.

А что же делается в России для развития альтернативных видов топлива? И снова предоставляем слово Валерию Архипову: «Со дня первого полета Ту-155 прошло 33 года. Волею судеб из летного экипажа я остался один, из наземного – единицы. Многие годы мы стараемся поддерживать интерес к возобновлению и расширению работ по исследованиям и использованию альтернативных топлив на транспорте, включая работы по развитию водородной энергетики. Однако ощутимых результатов пока нет!»