В работе «Ракета и космическое пространство» (1903) К. Э. Циолковский рассмотрел возможные виды топлив для ракетных двигателей и отметил комбинацию из жидкого водорода и кислорода как самую эффективную (табл. 6).
Независимо от вида используемой энергии причиной движения ракеты является выброс массы, что и создает тягу. Тяга (на расчетном режиме) — это произведение секундного расхода массы на скорость истекания топлива. Чем больше удельная тяга, то есть развиваемая в одну секунду при сгорании одного килограмма топлива, тем меньше тратится горючего для создания силы тяги и, следовательно, меньше должен быть его запас в ракете, а значит, и начальная масса ракеты-носителя. Как видно из табл. 6, наибольшую тягу развивают двигатели, работающие на водороде.
Таблица 6
Эффективность топлив для ракетных двигателей
Высокая теплопроводность водорода дает возможность хорошо охлаждать стенки камеры сгорания и сопла, а его малая плотность и высокая температура сгорания позволяют довести скорость реактивной струи до 2500 м/с. Водородные двигатели устанавливаются на самых мощных ракетах-носителях, например на второй и третьей ступенях ракеты «Сатурн-5», с помощью которой были осуществлены полеты к Луне. Двигатели первой ступени этой ракеты работали на керосине и жидком кислороде, а второй и третьей — на жидком кислороде и водороде. Водород сгорает также в основных двигателях челночных кораблей «Спейс шаттл». Успешно используется он при выводе на околоземную орбиту советских космических кораблей.
Водород — самый легкий газ. Это свойство было подмечено давно. Еще в 1783 г. француз Ж. Шарль, получив необходимое количество водорода, наполнил им шар диаметром пять метров. От парижского Марсова Поля шар улетел на 25 км. Возможно, это была первая попытка покорить воздушный океан с помощью водорода.
Через 150 лет (в 1937 г.) мир облетела весть — в воздухе загорелся наполненный водородом цеппелин «Гинденбург». После этого в кинотеатрах многих стран демонстрировались кадры, запечатлевшие эту трагедию. Аналогичные примеры можно отыскать в архивах истории воздухоплавания.
Если разобраться, вся беда заключалась в том, что водород находился в замкнутом объеме. При попадании туда кислорода из воздуха могла образоваться гремучая смесь, легко воспламеняющаяся и дающая бесцветное высокотемпературное пламя, которое способно распространяться через мельчайшие щели.
Случай с «Гинденбургом» вызвал в буквальном смысле шок. Появилось мнение о чрезвычайной опасности водорода, невозможности использовать его в конструкциях, связанных с воздухоплаванием, что получило название синдром Гинденбурга.
Между тем водород не более опасен, чем бензин или керосин. В силу своей рекордно малой удельной массы он улетучивается несравненно быстрее любых других топлив и, конечно, быстрее тяжеловесных фракций бензина. Для исключения опасности при работе с водородом необходим специальный подход, впрочем, как и к любому виду топлива.
Специалисты ВВС США специально обстреливали резервуары с жидким водородом и керосином. Обычные пули просто пробивали в них отверстия. Только после применения зажигательных пуль водород так же, как и керосин, воспламенялся. Однако горел он менее интенсивно и гас намного быстрее, так как значительная его часть быстро улетучивалась.
Уникальные свойства водорода, уже получившего признание в космонавтике, привлекли внимание авиаконструкторов. Еще в начале 60-х годов в работах советских ученых рассматривалась возможность эффективного использования водорода как авиационного топлива. В настоящее время жидкий водород детально изучается в работах многих исследователей в качестве наиболее перспективной альтернативы для замены в авиации топлив нефтяного происхождения. При этом оцениваются как его бесспорные достоинства,
так и существенные недостатки, затрудняющие немедленное использование этого газа.
Высокая теплотворная способность водорода позволит значительно уменьшить необходимый запас топлива, а значит, и взлетную массу и, таким образом, увеличить массу полезного груза. Этот вопрос заслуживает особого внимания, потому что в современных самолетах масса применяемого углеводородного топлива в три-четыре раза, а в ряде случаев и больше превышает перевозимый груз. Современный «Боинг-707» имеет на борту 80 т горючего и только 15 т полезного груза. Заменив керосин 30 тоннами жидкого водорода, можно увеличить долю полезного груза до 60 т!
При снижении взлетной массы появляется возможность упростить и облегчить шасси, уменьшить размеры двигателя и его массу, а также удельную нагрузку на крыло и его размеры. Дополнительно снизятся требования к покрытию и длине взлетно-посадочной полосы и, следовательно, затраты на строительство аэродромов.
Известно, что с ростом скорости происходит снижение удельного импульса двигателей. Поэтому для сверхзвуковых самолетов использование жидкого водорода особенно важно, так как при его сгорании увеличивается удельный импульс двигателей (в 2,5—2,7 раза по сравнению с керосином), а это может сделать более экономичным полет с большими числами М *, чем при обычных топливах. Оптимизация параметров самолетов показывает, что наибольшая дальность полета на водороде достигается, когда М равняется 6, тогда как при сжигании обычных топлив оптимально М=3. При равной взлетной массе дальность полета самолета на жидком водороде в 1,5 раза больше.
*Число Маха (М) — безразмерная характеристика течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения к скорости звука в той же точке потока.
Благодаря низкой излучательной способности пламени водорода улучшится тепловое состояние стенок камеры сгорания, а эффективное охлаждение позволит организовать рабочий процесс в двигателе при намного больших температурах газа, чем перед турбиной, и повышенном давлении в компрессоре. Это даст возможность дополнительно снизить удельный расход топлива на 15—20 % и повысить удельную тягу. Ресурс работы увеличится на 25 % при одновременном уменьшении трудоемкости и стоимости технического обслуживания установки. Незначительная энергия и широкие пределы воспламенения водорода в смеси с воздухом обеспечивают хороший запуск двигателя на разных высотах и при различных температурах окружающей среды.
В результате меньшей удельной нагрузки на крыло снизится интенсивность воздействия звуковой волны на поверхность земли. Этой же цели, благодаря высоким характеристикам горения водорода, будет способствовать увеличение высоты полета на 3—7 км. Работа двигателей на водороде обеспечит отсутствие выбросов в атмосферу окислов углерода, углеводородов и значительное уменьшение выбросов окислов азота.
Несмотря на высокую массовую калорийность водорода, объем баков при новом топливе может заметно возрасти (почти в четыре раза). Предполагают разместить топливные баки по бокам, то есть сделать самолет как бы с тремя фюзеляжами5. Еще один вариант — самолет-бак, очертаниями напоминающий американский «Шаттл» или советскую ракету-носитель «Энергия» 6.
Использование водорода улучшает массогабаритные, летные и технико-экономические характеристики до- и сверхзвуковых самолетов. Полученные выигрыши в запасе топлива и тяги достигнуты, несмотря на некоторые ухудшения (18 %) аэродинамических характеристик.
Несмотря на очевидные достоинства водорода как топлива, он не лишен и ряда недостатков. Уже отмечалось, что его получение и ожижение требуют больших расходов энергии. Весьма дорогостоящим делом является переоборудование аэропортов, создание системы хранения, распределения и заправки, обеспечивающей минимальные потери. Низкие плотность и температура обусловливают наличие громоздких емкостей со специальной изоляцией на борту самолета, что приводит к уменьшению аэродинамического качества на 10—12 %. Из-за возможных утечек водорода требуется повышенная герметичность коммуникаций, наличие системы контроля и обеспечения пожарной безопасности.
Особое внимание следует уделить созданию материалов, способствующих длительное время работать в контакте с криогенным водородом.
Научно-технические достижения в области криогенной техники дают основание надеяться на успешное преодоление трудностей, стоящих на пути использования жидкого водорода в авиации. По мнению специалистов, частичный переход самолетов гражданской авиации на водород может состояться в 2000—2010 гг.
Однако практическая подготовка к этому событию уже ведется. Так, фирма «Локхид» (США), совместно с рядом фирм Англии, ФРГ, Саудовской Аравии, работает над созданием самолета на жидководородном топливе.
Суммарная стоимость этой программы ориентировочно равна 1300 млн дол. Самолет будет развивать скорость в 2,7 раза больше скорости звука, дальность полета при максимальной нагрузке — 6700 км. Предполагают, что самолет будет летать по маршруту Питтсбург — Бирмингем — Эр- Рияд.
В 1985 г. в Париже фирма «Бритиш эйроспейс» представила модель воздушно-космического самолета «Хотол» в натуральную величину. В пассажирском варианте, имея 60 человек на борту и работая на водородном топливе, он мог бы долететь из Лондона до Сиднея за один час.
15 апреля 1988 г. впервые в мире был осуществлен испытательный полет самолета ТУ-155, топливом для которого служит водород. Самолет, на котором установлены двигатели НК-88 конструкторского бюро, руководимого академиком Н. Д. Кузнецовым, создан коллективом ОКБ им. А. Н. Туполева. Этим самолетом открыта новая страница в истории отечественного и мирового самолетостроения, сделан большой вклад в дело практического использования водорода.
Самолет находился в воздухе 21 минуту. Как сообщил экипаж, ощущения от действий рулями и органами управления ничем не отличались от обычных. В хвостовой части пассажирского салона был оборудован специальный отсек для установки жидководородного бака. Для обеспечения работы криогенной силовой установки и пожаро- и взрыво- безопасности было сконструировано и изготовлено более 30 бортовых систем7.
По данным ориентировочного расчета реактивных двигателей, работающих на углеводородном топливе и водороде, дозвуковой самолет с водородными двигателями при сохранении одинаковых условий полета будет весить на 26, а сверхзвуковой — на 50 % меньше, стоимость серийного водородного самолета — на 30, а разработки — на 26 % ниже, потолок полета выше, надежность больше, двигатели долговечнее и т. п.
Принципиально возможно с помощью водорода и искусственных топлив на его основе решить ряд проблем стационарной энергетики.
Как известно, создание АЭС, работающих с переменной тепловой мощностью реактора, связано с большими трудностями. Как правило, они работают в базисном режиме и не приспособлены для снятия пиковых нагрузок в энергосистеме. Для этих целей в настоящее время вводятся пиковые и полубазисные электростанции на органическом топливе.
Бурное развитие ядерной энергетики делает задачу покрытия неоднородного графика нагрузки чрезвычайно актуальной. Одним из путей решения этой проблемы является использование водорода, производимого путем электролиза за счет «провальной» энергии.
На рис. 4. приведена принципиальная схема водородной электростанции, которая включается в работу в периоды нарастания нагрузки в энергосистеме.
Рис. 4. Вариант принципиальной схемы водородной пиковой электростанции: 1 — электролизер; ·2 — компрессор; 3 — хранилище водорода и кислорода; 4 — камера сгорания; 5 — паровая турбина; 6 — конденсатор; 7 — насос; 8 — впрыск воды.
Рис. 5. Принципиальная схема маневренного атомно-водородного энергоблока: 1 — ядерный реактор; 2 — камера сгорания; 3 — хранилище водорода и кислорода; 4 — электролизер; 5 — насосы; 6 — турбина; 7 — конденсатор.
Помимо варианта покрытия пика электрической нагрузки автономной пиковой водородной энергоустановкой, может быть реализована схема (рис. 5), где эта цель достигается путем кратковременного повышения температуры пара. Перегрев пара осуществляется путем смешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде с насыщенным паром от АЭС.
Помимо варианта покрытия пика электрической нагрузки автономной пиковой водородной энергоустановкой, может быть реализована схема (рис. 5), где эта цель достигается путем кратковременного повышения температуры пара. Перегрев пара осуществляется путем смешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде с насыщенным паром от АЭС.
Реализация такого подхода на базе современной АЭС позволяет повысить температуру пара перед турбиной до 773 К при давлении 6,0 МПа. За счет этого тепловая экономичность цикла увеличивается на 15 % по сравнению с циклом АЭС на насыщенном паре. Коэффициент полезного действия использования водорода равен 60 %.
В перспективе возможно использование схем производства пиковой электроэнергии с применением электрохимических генераторов (ЭХГ) — водородокислородных и водородовоздушных. Созданные в настоящее время установки обладают высоким КПД (до 80 %), но имеют высокую стоимость. Если в будущем капитальные вложения в пиковые ЭХГ будут существенно снижены, то использование их окажется экономически целесообразным.
При существующих объемах производства водорода энергетические затраты только на его сжатие для транспортировки, хранения и технологического использования составляют десятки млрд·кВт-ч в год. Неуклонный рост потребления водорода в химии, металлургии, энергетике, на транспорте, а также тенденция к расширению сфер применения этого продукта в народном хозяйстве страны настоятельно требуют разработки энергосберегающей технологии сжатия водорода и создания высокоэффективных устройств для ее осуществления.
