Водородное топливо в авиации – шаг в будущее | Фонд поддержки детского технического творчества имени летчика космонавта СССР Героя Советского Союза А.А.Сереброва

Водородное топливо в авиации – шаг в будущее

В настоящее время в авиации используется топливо, основными видами которого являются: авиационный бензин и керосин. Они получаются из углеводородного сырья (прежде всего, нефти), природные запасы которого ограничены.

Развитие авиационной техники идет по пути повышения лётно-технических данных, а также ее экономической эффективности и экологической безопасности. Энергоемкость, экологичность и цена традиционного топлива не в полной мере удовлетворяют тенденциям и перспективам развития авиационной техники. Решение данных проблем заключается в использовании, а в будущем и в переходе авиации на альтернативные  виды топлива.  Наиболее перспективным топливом будущего считается жидкий водород.      

Он обладает рядом положительных свойств, основными из которых являются:

* отсутствие в продуктах сгорания – водяном паре – экологически вредных веществ;

*высокая энергетическая эффективность, превосходящая авиакеросин в 3 раза;

*обеспечение стабильной работы силовой установки самолета  на больших высотах и в широком диапазоне температур;

*возможность эффективного использования водорода в системах охлаждения двигателей и планера на гиперзвуковых скоростях.

Эти свойства делают жидкий водород единственным доступным в обозримое время топливом, позволяющим выполнять  крейсерские сверх- и гиперзвуковые полеты в течение длительного  времени.

Важно, что запасы воды, которая используется для получения водорода, практически безграничны.

Применение жидкого водорода, однако, сопряжено с  решением ряда сложных  проблем.  Первая группа проблем обусловлена, главным образом,  такими физическими свойствами жидкого водорода, как его крайне низкая температура, около — 250оС, а также плотность, в 10 раз меньшая, чем у керосина. Это резко усложняет конструкцию и увеличивает  размеры топливных баков самолета, а также наземных систем хранения жидкого водорода и заправки им авиатехники.  Вторая группа проблем связана с пока еще высокими затратами энергии на получение водорода, что негативно сказывается на его цене.  (По некоторым  оценкам на получение единицы энергии, запасённой в водороде при его производстве (синтезе и сжижении), затрачивается от 4 до 10 единиц внешней энергии). Это обстоятельство является одним из аргументов критиков широкого применения водорода в авиации.

Тем не менее, работы по решению указанных проблем ведутся во многих странах с нарастающей интенсивностью в трех основных направлениях.

       

Первое направление – это создание новых энергетически эффективных технологий получения водорода, обеспечивающих существенное снижение его цены. Мировая промышленность инвестирует большие деньги в эти работы. В таблице приведены перспективные технлогии  получения водорода и стоимость водорода при их применении.

Способ получения водорода Стоимость 1 кг водорода (в долларах)
Электролиз воды 5-8
Конверсия природного газа 1.8-4
Газификация угля 1.9-2.8
Применение ядерных реакторов 1
Использование биомассы 4-5 (в перспективе 1,5)

(По материалам: http://energokeeper.com/sposobyi-polucheniya-vodoroda.html)

Второе направление объединяет работы по применению жидкого водорода в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания, главным образом, реактивных, и по разработке летательных аппаратов с такими двигателями. Первые практические результаты были получены в СССР еще в 1998 году, когда  был создан самолет Ту-155 с водородным двигателем НК- 88 . В настоящее время испытывается  ряд экспериментальных летательных аппаратов, а также разработаны многочисленные проекты самолетов  различного назначения, использующих водородное топливо. В их числе самолеты гиперзвуковые пассажирские дальнмагистральные лайнеры.  По прогнозам, появление таких самолетов  ожидается в конце 40-х годов этого века.  Вполне возможно, что ускорению работ в этом направлении поможет опыт создания авиатехники на другом, более простом в использовании криогенном топливе — сжиженном природном газе.  

Третье направление связано с использованием водородных топливных элементов (ТЭ) и созданием  «электрических» летательных аппаратов. В водородном ТЭ  химическая энергия реакции соединения водорода с кислородом воздуха преобразуется в электричество. Основные достоинства водородных ТЭ — высокий КПД, достигающий  60-80 % ,  срок службы,  достигающий 5 тысяч  часов,  экологичность, компактность.  В настоящее время уже созданы беспилотные аппараты, которые могут находиться в воздухе десятки часов. Примером может служить российский аппарат «Инспектор», длительность полета которого составляет свыше 40 часов. Перспективным считается также использование ТЭ в легкомоторной авиации, уже проходят летные испытания соответствующих самолетов.

Прогресс в области создания ТЭ с более высокими характеристиками связывают с новым топливом, которые представляет собой твердые гранулы, упакованные в контейнер. Сами гранулы состоят из химического соединения, которое при нагреве выделяет водород.

Мировая экономика активно развивается в применении водородных технологий. На графике наглядно видно, что в перспективе водородное топливо будет занимать лидирующую позицию.

Снимок

(Источник: http://energyfuture.ru/wordpress/wp-content/uploads/books/book54.pdf)

Можно полагать, что и авиации  динамика использования водорода по отношению к другим видам авиатоплива будет носить аналогичный, а, возможно, и более ярко выраженный  характер.  И в будущем «водородные» летательные аппараты различных типов и назначения займут доминирующее место в мировом авиапарке.  

Автор: Кузьминова Анастасия,

ученица 9-го класса.

Консультант: Шауров Владимир Николаевич,

кандидат технических наук, доцент.