В середине 70-х годов в связи с дефицитом мировой добычи нефти и углублением энергетического кризиса интенсифицировались работы по применению альтернативных видов топлива в промышленности и на транспорте.

В СССР Академией наук совместно с рядом научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро была разработана программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по широкому внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиационной промышленности она получила название: тема "Холод". ММЗ "Опыт" было поручено создание летающей лаборатории, использующей в качестве топлива жидкий водород (на базе самолета Ту-154Б). Эта программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации. В ходе создания летающей лаборатории выявилась необходимость значительного расширения объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. В этот же период обострился дефицит традиционных видов топлив для транспортных средств (керосин, бензин) и потребовалась замена его природным газом, который для авиации наиболее приемлем в сжиженном состоянии - СПГ (сжиженный природный газ). Исходя из этих положений в АНТК им. А.Н. Туполева в 80-е годы был создан первый в мире самолет -летающая лаборатория Ту-155 (первоначальное обозначение ЛЛ Ту -154).

Жидкий водород с его высокой удельной теплотворной способностью, втрое превосходящей углеводородные топлива, с исключительной экологической чистотой оказался чрезвычайно перспективен как горючее для различных двигателей.

Сниженный природный газ обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с традиционными авиационными топливами. При нарастающем дефиците нефтяных топлив запасы природного газа составляют значительную величину, а при неуклонном росте цен на нефтяные топлива цена на СПГ будет снижаться. Теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина. Применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное экологическое влияние на окружающую среду.

С целью летной оценки возможности использования криогенных топлив на Ту-155 по сравнению с базовым самолетом Ту-154Б были выполнены следующие конструктивные изменения:

в специально выделенном отсеке салона самолета установили топливный бак с высокоэффективной теплоизоляцией для размещения жидкого водорода с температурой -253╟С или сниженного природного газа с температурой -162╟С;

доработали топливную систему самолета;

экспериментальный топливный комплекс включал в себя систему подачи топлива в двигатель, систему поддержания давления в баке с аварийным предохранительным устройством, систему циркуляции, наддува бака, систему аварийного слива криогенного топлива. Система подачи топлива состояла из центробежных и струйных насосов, теплоизолированных трубопроводов, криогенных агрегатов и клапанов;

для управления и контроля работы криогенного комплекса на самолете установили три дополнительные системы: а) гелиевую, управляющую агрегатами силовой установки; б) азотную, замещающую обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации; в) систему контроля вакуума в теплоизоляционных полостях; г) вместо штатного центрального двигателя НК-8-2У установили экспериментальный двигатель НК-88, созданный в конструкторском бюро под руководством академика Н.Д.Кузнецова (при этом большое внимание уделили обеспечению взрывопожаробезопасности двигателя).

Для обслуживания экспериментального самолета и выполнения испытательных работ был создан авиационный криогенный комплекс. Он состоял из следующих систем:

системы заправки криогенным топливом;

системы пневмопитания;

системы энергоснабжения;

системы телевизионного контроля;

системы газового анализа;

системы орошения водой в случае пожара;

системы контроля качества криогенного топлива.

Комплекс позволял проводить различные виды испытаний с использованием больших количеств криогенной жидкости. Летающая лаборатория делалась на базе серийного самолета Ту-154 ╧ 85035, доработанного под стандарт Ту-154Б. 15 апреля 1988 года самолет Ту-155 совершил первый полет (экипаж под руководством летчика-испытателя В.Севанакаева. Самолет Ту-155 прошел обширный комплекс испытаний, в ходе которых установлено 14 мировых рекордов, совершен международный перелет по маршруту Москва - Братислава (Чехословакия) - Ницца (Франция), Москва - Ганновер (ФРГ).

Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 обогатили советскую науку. 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.

Кроме того, была создана специальная экспериментальная база для испытаний самолетов с силовыми установками, работающими на криогенных топливах, освоены новая испытательная техника и новые методы испытаний. К настоящему времени приобретен опыт обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом, отработаны приемы и методы обеспечения взрыво-пожаробезопасности.

Приобретенный опыт в создании и испытаниях самолета Ту-155 стал хорошей базой для будущего освоения технологий создания пассажирских и грузовых самолетов на криогенных видах топлива, а также основой для участия нашей страны в международном сотрудничестве в этой области. Кроме того, к 90-м годам удалось создать реальную внутриотраслевую и межотраслевую кооперацию различных предприятий по разработке авиационных криогенных систем.

Основные характеристики Ту-155 аналогичны базовому Ту-154Б. Объем бака для криогенного топлива - 20 м3, максимальная продолжительность полета на криогенном топливе - 120 мин.

Вот как описал испытательный полет Ту-155 один из очевидцев:

День выдался теплым и солнечным. Заново выкрашенный Ту-155 с ярко-синей полосой через весь фюзеляж сиял своими блестящими боками, как бы подтверждая, что хоть сейчас готов взмыть в голубое небо. И происходило это уже не на летно-испытательной станции, где все специально приспособлено для заправки его сжиженным газом, а на совершенно обыкновенном аэродроме НИИГА в Шереметьеве. И невольно возникал вопрос, как же сегодня самолет будет здесь заправляться? Ну, керосином - понятно, а вот новым альтернативным топливом? Но главный конструктор Владимир Александрович Андреев решил не удовлетворять наше любопытство на словах, сказав, что мы сами сейчас все увидим. Вскоре к Ту-155 подкатили два грузовых автомобиля, приспособленных для перевозки сжиженного газа. Совершенно обыкновенные, какие нередко встречаются на московских улицах. Сначала к самолету приблизилась одна из машин - с азотом. Им продули всю заправочную систему, чтобы создать в ней нейтральную атмосферу. Затем подошел заправщик с сжиженным газом.

Происходило все совершенно буднично, как будто речь шла не о новом криогенном топливе, а об обыкновенном керосине. Когда заправщики отошли, мы, вполне естественно, стали уговаривать Андреева разрешить полететь на этом пока еще единственном криогенном самолете. Хотелось стать первыми его пассажирами, - Что вы, этого вам никто и ни за что не позволит, - ответил Владимир Александрович. - Это хоть и первый показательный, но все же испытательный полет, и на борту может находиться только экипаж. Таковы правила. И мне пока приходится довольствоваться лишь наблюдением за полетом криогенного самолета со стороны. Сейчас вместе полетим параллельным курсом на Ту-154 сопровождения. Вскоре поднялся в воздух Ту-155, правый двигатель которого - НК-88 работал на сжиженном природном газе. На борту, кроме Андреева и других представителей КБ и летно-испытательной станции, с нами были английские кинодокументалисты. Их тоже очень интересовал первый криогенный самолет, и они хотели все запечатлеть на пленку. Широкий интерес к криогенной авиации не случаен. Человечество напряженно ищет альтернативные виды топлива. Сжиженные водород или природный газ кажутся многим отличной заменой нефтепродуктов. Многим, но далеко не всем. За последнее время в газетах и журналах было немало публикаций на эту тему, и далеко не во всех выражался по этому поводу оптимизм. Какие аргументы приводятся против? Сошлемся хотя бы на статью ╚Криогенная авиация: за и против╩.

Основным способом промышленного производства водорода станет разложение воды, - говорится в ней. Но из школьного курса физики известно, что теоретически для гидролиза требуется ровно столько энергии, сколько выделится в дальнейшем при сгорании полученного водорода. В природе же ни один процесс не идет с кпд, равным единице. Значит, энергия, затраченная только на производство водорода, заведомо превысит энергию, выделяющуюся при его сгорании в двигателе самолета. К тому же на борту воздушного судна газ предполагается запасать в сжиженном состоянии, а при существующих способах сжижения этот процесс поглотит примерно еще 75 процентов той энергии, которая выделяется при его сгорании. Не забудем и о том, что электроэнергию для выделения водорода и его сжижения получают в основном на тепловых электростанциях, кпд которых составляет приблизительно 40 процентов. Расходуется электроэнергия и на транспортировку. Таким образом, чтобы получить 1 джоуль энергии от сгорания водорода, предварительно надо затратить, по оптимистическим прогнозам, 4 джоуля, по пессимистическим - 12 джоулей энергии за счет использования других видов топлива ...

Надо честно признать, что подобные подсчеты действительно ни у кого не вызовут оптимизма. Другое дело, так ли они на самом деле верны, как пытаются нам доказать авторы статьи? В первую очередь разберемся в возможностях получения водорода. Для того, чтобы водородное топливо стало дешевым, надо, чтобы дешевой была электроэнергия, используемая для его добычи. Таких недорогих, а главное восполнимых источников энергии на Земле не так мало. Это приливы, ветер, геотермальные воды. И, наконец, солнце. Так нельзя ли использовать солнечную энергию для разложения воды? Вычисления показывают, что для расщепления молекулы воды достаточно одного кванта зеленого света. Кванты синего и фиолетового света обладают большей энергией. Но поскольку вода для света прозрачна, он должен быть поглощен сначала адсорбирующим цветным фотокатализатором. Надо сказать, что мысль эта не нова, подобные эксперименты проводились неоднократно. Однако выход водорода всегда был очень мал. Происходило это из-за того, что водород и кислород, образовавшись, тут же вступают в обратную реакцию, вновь превращаясь в воду. Интересный метод разложения воды уже более восьми лет назад разработали армянские ученые. Они решили как бы объединить два способа - фотолиз и электролиз. Всем известны полупроводниковые солнечные батареи. При их облучении на выходе получается электрический ток, который и решили использовать для разложения воды.

Группа специалистов Ереванского университета под руководством доктора физико-математических наук В. Арутюняна сконструировала тогда соответствующую установку. Солнечные батареи погружаются в раствор электролита, находящийся в стеклянном цилиндре. Когда на установку падает свет, вода как бы закипает: из одного патрубка начинает выделяться водород, из другого - кислород. Любопытно, что для непосредственного контакта с электролитом использовался не кремний, а гораздо более дешевые полупроводники. Скажем, двуокись титана, которая прессуется в виде пластин. Это и позволяет получать топливо, отделенное от кислорода. Правда, мощность подобных установок тогда была довольно низка. Ведь интенсивность солнечного света на уровне моря не превышает одного киловатта на квадратный метр, а кпд лучших солнечных батарей составляло 12-18 процентов. В ереванской же установке он был и того меньше - примерно один процент. Но ведь за это время армянские ученые наверняка значительно продвинулись вперед. Настоящие плавучие острова предложили создавать на морской и океанской поверхности японские специалисты. Установки смогут разлагать морскую воду примерно по тому же принципу, что и детище ереванцев. Но ведь там-то их можно создавать любых размеров, и производительность их может быть очень высокой. Но предположим, что ереванская установка пока еще не вышла из лабораторных стен, и до ее промышленного варианта еще далеко. Да и японские плавучие острова пока еще не преодолели, насколько известно, стадии проектов. Однако ведь и Ту-155 работает не только на водороде, но и на сжиженном природном газе. Его-то добывать куда легче, чем водород. Но и здесь находятся противники.

Аргументы их сводятся к следующему. Во-первых, производительность существующих установок жидкого природного газа сегодня не превышает 10 кубометров в сутки. Правда, в Ереване строится специальный завод по сжижению природного газа. Но и он, якобы, не решит проблемы. Ведь современный крупный аэропорт расходует в час до 500 тонн топлива, следовательно подобное предприятие необходимо будет строить чуть ли не на каждом аэродроме. А это дорого. Сметная стоимость, к примеру, ереванского предприятия - 70 миллионов рублей. Во-вторых, у нас в стране вроде бы отсутствуют в необходимых количествах средства транспортировки сжиженного газа. Да и специальных изотермических хранилищ тоже не слишком много. И, в-третьих, по предварительным подсчетам, переоборудование одного только аэропорта 1-го класса для работы на сжиженном газе обойдется в 100 миллионов рублей. Для сравнения приводится стоимость всех наземных средств хранения и заправки авиационным топливом, имеющихся сейчас на вооружении во всех аэропортах страны - приблизительно один миллиард рублей...

Что ж, и эти аргументы могут показаться довольно вескими. Но так ли все обстоит на самом деле? Об этом и спросили Андреева. Кому, как не ему, человеку, руководящему работами по созданию криогенных самолетов, знать настоящую их цену. - Знаете, если бы все обстояло действительно столь трагически, то мы бы наверняка просто не стали бы заниматься криогенной авиацией, - ответил Владимир Александрович. - Но поверьте, все было просчитано заранее. И не только нами, но и специалистами из ЦАГИ, ЦИАМа и НИИгаза. Они обсчитали, во сколько обойдется переоборудование под новое топливо самолета Ту-204 и аэродрома, на котором он будет базироваться. Вышли не какие-нибудь баснословные цифры, а всего лишь несколько меньше 5 процентов от стоимости летного часа. Это означает, что если прибыль у нас будет процентов 15, то за треть года все затраты окупятся. Теперь о стоимости самого криогенного топлива. Сейчас очень широко прорабатываются варианты использования для сжижения перепадов давления на газораспределительных станциях. Это означает, что для самого процесса перевода природного газа в жидкое состояние никакой дополнительной энергии не потребуется.

И потом, если нашими работами заинтересовались канадцы и австралийцы, - а в том, что они умеют все хорошо подсчитывать, думаю, не сомневается никто, - значит мы идем по правильному пути. Они, кстати, так нам прямо и сказали, что им очень хочется иметь у себя криогенную авиацию. Когда я был в Сиднее, то мог убедиться, что в Австралии, главным образом, для улучшения экологической обстановки стараются, причем весьма успешно, перевести на природный газ весь транспорт. С автомобильным и железнодорожным этот процесс в самом разгаре. И вот теперь хотят с нашей помощью поступить так и с авиацией. Они уверены, что со временем это станет выгодно и с экономической точки зрения, и с точки зрения охраны окружающей среды. Не случайно вскоре после наших первых испытаний авторитетный американский технический журнал написал, что ╚полеты самолета на жидком водороде являются в истории авиации такой же вехой, как и первый орбитальный полет в 1957 году╩. Противники криогенной авиации считают, что гораздо выгоднее просто заняться более углубленной переработкой нефти, чем переводить самолеты на сжиженный газ. Это, доказывают они, является довольно выгодным источником дополнительного авиакеросина. Ведь действительно, выход жидкого топлива на отечественных заводах составляет всего 10 процентов, тогда как на зарубежных в два, два с лишним раза больше.

С тем, что нефть надо перерабатывать более полно, никто не спорит. Тем более что ее действительно осталось не так уж и много. Но давайте посмотрим, насколько это выгодно. Оборудование на наших нефтеперерабатывающих заводах, в основном, импортное. Переделывать его для углубленной переработки нефти довольно сложно. Следовательно, придется покупать более совершенное, создавать новые нефтеперерабатывающие предприятия. На это уйдет 15-20 лет, да и обойдется во многие миллиарды. И неизвестно еще, как к тому времени вообще будут обстоять дела с нефтью.

...В иллюминаторы было хорошо видно: Ту-155, идя на высоте одного километра со скоростью около 400 километров в час, то приближался к нам, то опять удалялся. Все это напоминало какой-то плавный ╚танец╩. Продолжался этот показательный полет 46 минут. Когда обе машины приземлились, мы опять подошли к Ту-155. И вновь к нему подкатили те же два газовоза. Только процесс повторился а обратном порядке, по сравнению с заправкой. Сначала из самолета выкачали остатки сжиженного газа, а потом продули всю систему азотом. И все опять проходило буднично. В самом деле, криогенный самолет может взлетать и обслуживаться практически на любом аэродроме. Невольно возникла мысль: как же все-таки относиться к криогенной авиации? Так, как выразили свое мнение некоторые специалисты на аэродроме, спросившие, полушутя-полусерьезно, у экипажа: ╚Когда вы уберете от нас вашу водородную бомбу?╩ Или - иначе? Подумать о будущем, о детях наших, оставив им прозрачный Пятый океан, а не газовую камеру...

ЛТХ:
Модификация Ту-155
Размах крыла, м 37.55
Длина самолета,м 47.90
Высота самолета,м 11.40
Площадь крыла,м2 202.00
Масса, кг
пустого самолета 52000
максимальная взлетная 98000
Тип двигателя 2 2 НК-8-2 + 1 НК-88
Тяга, кгс 3 х 10500
Крейсерская скорость, км/ч 850
Практическая дальность, км 2800
Продолжительность полёта на криогенном топливе, ч. 2
Практический потолок, м 11900
Экипаж, чел 4