Беседу вел Олег Иванов Важной особенностью развития мировой энергетики на рубеже ХХI века является смена доминирующего энергоисточника. Наступает эпоха преимущественного использования природного газа, как наиболее эффективного и экологически чистого органического топлива. Дефицит нефти постоянно обостряется. За минувшие четверть века удельный вес нефти в мировом энергобалансе снизился более чем на 10%. Работы по замене нефтяных видов топлива приобрели общемировой характер. В США по этой проблеме принято три федеральных закона и более 40 правительственных указов и предписаний. Аналогичные законы действуют более чем в 30 странах мира.Об отечественных разработках в области создания самолетов, использующих альтернативные виды топлива, рассказывает главный конструктор ОАО «Туполев» Владимир Андреев.

Ту-155«АП»: Владимир Александрович, в чем Вы видите актуальность перевода отечественного воздушного транспорта на новый вид топлива?

В.А.: В авиации авиакеросин может быть заменен сжиженным природным газом (СПГ). Стоимость авиакеросина в России в среднем составляет 8000 руб. за тонну, стоимость тонны СПГ — 3000 руб. Финансовый выигрыш — 5000 руб. за каждую тонну замененного керосина. В дальнейшем следует ожидать постепенный рост этого выигрыша.

В настоящее время природный газ с помощью трубопроводов подведен практически к каждому аэродрому, т.е. вопросы транспортировки его в основном уже решены. Его высокая энергоемкость, огромный хладоресурс позволяют создавать самолеты со значительно более высокими летно-техническими показателями, чем у самолетов на авиакеросине. Экономическая эффективность полета на СПГ в недалеком будущем составит 10 г/пасс.(км.

При применении СПГ на самолетах следует ожидать, что выброс токсичных составляющих значительно снизится: окиси углерода в 5-10 раз, углеводородов в 2,5-3 раза, окислов азота в 1,5-2 раза, полициклических ароматических углеводородов, включая бензапирен, в 10 раз.

Широкое применение СПГ на самолетах будет сопровождаться созданием новой авиационной криогенной технологии, которая окажет огромное положительное влияние на целый ряд отраслей промышленности.

«АП»: Вы непосредственно руководили работами по созданию первого в мировой практике самолета с двигателем на криогенном топливе. Как это было?

Ту-136В.А.: Работы по замене авиакеросина на сжиженный природный газ были начаты в 1980 г. Усилиями коллективов ОАО «Туполев», ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» и многочисленных конструкторских и научно-исследовательских предприятий был создан первый в мире экспериментальный самолет Ту-155, способный летать на криогенных топливах — сжиженном природном газе и жидком водороде. На этом трехдвигательном самолете правый двигатель НК-8-2У заменен на двигатель НК-88, работающий на криогенных топливах. В хвостовой части пассажирского салона установлен криогенный топливный бак объемом 18 м3.

Первые летные испытания Ту-155 с двигателем на жидком водороде состоялись в 1988 г. Всего на самолете было установлено и успешно испытано около 30 новых криогенных систем и систем их обслуживающих.

В ходе стендовых наземных испытаний криогенных агрегатов и систем были устранены выявленные конструктивные и технологические недостатки, и в летных испытаниях эти агрегаты и системы показали высокую надежность и безотказность в работе.

Создание самолета сопровождалось проведением большого комплекса научно-исследовательских работ, разработкой значительного по объему нормативного материала.

18 января 1989 г. совершил первый полет Ту-155 на сжиженном природном газе (метане). Была выполнена большая летно-исследовательская программа, проведено несколько международных демонстрационных полетов, в том числе в Братиславу (Чехословакия), Ниццу (Франция), Берлин и Ганновер (Германия).

Появление самолета Ту-155 коренным образом изменило спектр проблем создания криогенной авиации. Реально доказано, что современными техническими средствами создана силовая установка, позволяющая столь же уверенно и безопасно, как на обычном керосине, летать на сжиженном природном газе.

Главными результатами работ по самолету Ту-155 явились создание:

  • коллектива специалистов в области авиационной криогеники на целом ряде предприятий;
  • наземной инфраструктуры для обслуживания криогенных самолетов;
  • комплекса наземных криогенных стендов.

Появилась реальная возможность перейти в область конкретной практической реализации проектов самолетов на СПГ.

«АП»: Владимир Александрович, расскажите о сегодняшних разработках ОАО «Туполев» в области криогенной авиации.

В.А.: В ОАО «Туполев» разработана программа создания целой серии криогенных самолетов. В соответствии с Постановлением Правительства РФ (№ 368) от 23 апреля 1994 г. на первом этапе программы предусмотрено создание самолета Ту-156.

Грузопассажирский самолет Ту-156 предназначен для отработки в процессе длительной эксплуатации элементов бортовой криогенной топливной системы и ее сертификации, а также для отработки наземной инфраструктуры. Криогенные агрегаты самолета будут устанавливаться на последующих серийных криогенных самолетах ОАО «Туполев».

На Ту-156 применяются два вида топлива: авиационный керосин (ТС-1, РТ) и сжиженный природный газ (ТУ 51-03-03-85), что позволяет эксплуатировать самолет как на обычных аэродромах, так и на аэродромах, имеющих системы заправки СПГ. Применение двух видов топлива значительно повышает безопасность полетов.

Ту-156 может перевозить 14 т полезного груза при полетах на дальность до 2600 км на СПГ и до 3300 км на СПГ и керосине.

В задней части пассажирского салона выделяется вентилируемый отсек, в котором устанавливается основной криогенный бак, вмещающий 13 т СПГ. В переднем багажном отсеке выделяется вентилируемый отсек, в котором устанавливается центровочный криогенный топливный бак, состоящий из двух горизонтально расположенных сообщающихся сосудов, вмещающий 3,8 т СПГ.

На самолет Ту-156 в основном выпущена техническая документация. Изготовлены опытный экземпляр двигателя НК-89 и целый ряд других криогенных агрегатов. В настоящее время они проходят стендовые испытания.

С целью обеспечения работ по созданию Ту-156 готовится наземный стенд для испытания криогенной силовой установки на базе самолета Ту-155 с максимальным использованием его бортовых систем.

Другим проектом по криогенной тематике является среднемагистральный самолет Ту-204К с двигателями ПС-92 на базе пассажирского сертифицированного самолета Ту-204 с двигателями ПС-90А. Керосин на самолете размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются на фюзеляже в обтекателе, имеющем форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Топливная экономичность самолета Ту-204К близка к экономичности базового Ту-204 и составляет 19,6 г/пасс.(км. Этот самолет способен перевозить 210 пассажиров на расстояние до 5200 км. Разработанный на уровне технических предложений Ту-204К использует основные элементы криосистемы, устанавливаемые на самолете Ту-156 и может использовать как СПГ, так и керосин. Срок окупаемости программы — 98 месяцев после изготовления и продажи 50 самолетов.

Ту-136В ОКБ начаты работы по созданию нового регионального грузопассажирского самолета Ту-136 с двумя двигателями ТВ7-117СФ, который имеет оптимальную компоновку, учитывающую свойства СПГ. Он может эксплуатироваться с аэродромов любого класса, в том числе с грунтовых, использоваться на трассах, связывающих областные центры России, для грузопассажирских перевозок при обслуживании центров добывающей промышленности, а также как летающая лаборатория для инспектирования магистральных газопроводов районов Севера и Сибири. Этот самолет после сертификации может использоваться зарубежными авиакомпаниями в странах, имеющих развитую инфраструктуру потребителей природного газа.

Ту-136 имеет взлетную массу 20 т, может перевозить 53 пассажира или до 5 т груза на расстояние до 2200 км со скоростью 550 км/ч на высоте около 9000 м. Топливная экономичность самолета — около 20 г/пасс.( км — соответствует лучшим мировым самолетам этого класса, а применение СПГ позволит примерно на 30% сократить прямые эксплуатационные расходы. Самолет спроектирован с учетом особенностей криогенного топлива. Он имеет дупланную аэродинамическую схему, логично совмещенную с криогенными топливными баками. Конструктивно-силовая схема самолета выполнена с максимальной разгрузкой крыла и фюзеляжа от действия аэродинамических и массовых сил.

Криогенные топливные баки емкостью 3680 кг располагаются в двух вынесенных гондолах за двигательной силовой установкой. Совмещение миделя бака с миделем мотогондолы, а также сочетание поддерживающих пилонов с общей аэродинамической схемой самолета позволило расположить криогенные топливные баки вне фюзеляжа практически без увеличения аэродинамического сопротивления и усиления крыла. Короткие криогенные трассы имеют небольшую массу и не требуют супертеплоизоляции. Вынесенная из зоны пассажирского салона силовая установка значительно повышает безопасность пассажиров и экипажа и упрощает ее экспериментальную отработку. Керосин заливается в крыльевые баки как в обычном самолете.

Габаритные размеры самолета Ту-136: длина — 22,63 м, высота — 8,13 м, размах крыла — 21,77 м.

В настоящее время разработаны технические предложения и бизнес-план по созданию этого самолета. Программа окупится на 4-й год серийного производства при выпуске и продаже около 90 самолетов.

Наряду с этим ведется проектирование среднемагистрального самолета Ту-204К-330 с двигателем НК-94, работающим на СПГ. Самолет предназначен для перевозки военных и гражданских грузов весом до 35 т. Авиакеросин размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются на верхней части фюзеляжа в обтекателях, имеющих форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением.

Двигатель НК-94 разрабатывает ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова». Он является криогенной модификацией НК-93, который должен быть сертифицирован в 2004 г. На самолете устанавливаются все основные элементы криосистемы, имеющиеся на Ту-156. Ту-204К-330 может использовать в качестве топлива как СПГ, так и керосин, а также совершать посадку на грунтовой аэродром.

«АП»: Скажите, что из себя представляет наземная инфраструктура для обслуживания самолетов на криогенном топливе и в чем ее отличие от существующих сегодня?

Наземный криогенный комплекс Ту-155В.А.: Наземный комплекс для обслуживания криогенных самолетов включает в себя, в основном, те же средства, что и для обычных самолетов за исключением дополнительных средств обеспечения СПГ и погрузочно-разгрузочных работ. Комплекс средств для обеспечения самолета на СПГ отличается от «керосинового» комплекса тем, что это топливо необходимо хранить, транспортировать и заправлять в самолет при криогенных температурах и не допускать сброса его паров в атмосферу.

Структура наземного криогенного комплекса должна содержать: установку для получения СПГ, изотермические хранилища, средства транспортировки СПГ и заправки в самолет, систему утилизации паров СПГ, средства контроля качества СПГ, средства обеспечения пожаро-взрывобезопасности. Разработку криогенных наземных комплексов ведет ОАО «Газпром» с привлечением смежников.

Как я уже сказал, с целью обеспечения работ по созданию самолета Ту-156 готовится наземный стенд для испытаний криогенной силовой установки. Он предназначен для решения целого ряда задач, основными из которых являются:

  • отработка переключения двигателя НК-89 с одного вида топлива на другой;
  • отработка режимов совместной работы самолетной криогенной системы и двигателя;
  • отработка режимов заправки, хранения, перекачки и выработки криогенного топлива из баков;
  • выявление особенностей работы силовой установки при крайних значениях давлений и температур криогенного топлива;
  • оценка технологии подготовки двигателя к запуску;
  • оценка эффективности работы теплоизоляции криогенных конструкций;
  • оценка работоспособности металлических и композитных криогенных баков;
  • оценка работоспособности некоторых элементов системы взрывопожаро-безопасности;
  • отработка технологии эксплуатации криогенной силовой установки и проведения регламентных работ;
  • получение экспериментального материала для разработки авиационных правил для криогенных систем;
  • частичная сертификация криогенной силовой установки и др.

Заправка керосиновых баков самолета осуществляется с помощью аэродромных автозаправщиков, а экспериментальных криогенных баков СПГ — с помощью автозаправщика ЦТМ 8/0,25, в последующем — от заправщика, снабженного насосной системой подачи. Для проведения заправки разрабатывается специальный быстроразъемный стыковочный узел. Заправка криогенных баков должна осуществляться при температуре СПГ, соответствующей давлению насыщенных паров 1,1-1,3 ата.

Проведение комплексных наземных стендовых испытаний силовой установки, а также летная эксплуатация Ту-156 должны обеспечить окончательное решение вопросов и наземной инфраструктуры.

В заключение хочу отметить, что использование СПГ в качестве авиационного топлива имеет большое государственное значение. Решение этой проблемы капитально продвинуто не только в теоретической, но и в практической областях.

Внедрение сжиженного природного газа в авиации коренным образом повысит экономичность авиаперевозок, улучшит экологическое воздействие воздушного транспорта и, главное, спасет от постепенно надвигающегося острого дефицита нефтяного топлива.