В настоящее время авиационная техника использует двигатели, работающие на авиационном керосине, вырабатываемом из нефти. После распада СССР Россия лишилась практически большинства своих источников дешевых энергоресурсов. Цена топлива значительно возросла, при этом при существующем уровне технологий из нефти получают только около 6 % авиационного керосина.
Кроме того, работа двигателей на нефтяных топливах (в том числе на авиакеросине) существенно загрязняет окружающую среду, особенно в районе аэропортов при взлете самолетов, когда осуществляется форсаж двигателей. Воздействию подвергается атмосфера по траектории полетов перспективной сверхзвуковой авиации в нижней стратосфере, в области максимальной концентрации озона (20…30 км). Через сопло двигателя происходит выброс окиси углерода, окислов азота, углеводородов, что приводит к возникновению экологически неблагоприятных физико-химических процессов в атмосфере. На авиацию приходится около 25 % вредных выбросов всего транспорта.
В связи с изложенным, актуальной стала проблема создания альтернативного топлива для авиации, которое позволило бы в ближайшем будущем ликвидировать дефицит авиационного топлива, улучшить экологическую обстановку и в то же время повысить технические и тактические характеристики самолетов — увеличить потолок, скорость полетов и др.
Научная и техническая мысль была обращена к жидкому водороду — уникальному энергоносителю и экологически чистому топливу, который, несомненно, найдет применение в авиации. Однако для этого необходима организация крупномасштабного производства водорода и его сжижения. Высокая стоимость жидкого водорода, малый удельный вес (100 м3 весят 7 т) и чрезвычайно низкая температура существования (— 253 оС), а также необходимость огромных капитальных вложений в его производство сдерживают массовое применение жидкого водорода в ближайшие годы. Более доступным криогенным топливом, которое должно найти альтернативное применение в авиации, является , применяемое вместе с качественной изоляцией тройников.
Использование как альтернативного топлива для авиации базируется на возможностях его производства в различных регионах страны практически без серьезного ущерба для потребления природного газа промышленностью и населением при нарастающем дефиците авиационного керосина. более экологичен и достаточно безопасен при использовании, а также дает возможность обеспечивать такие технические характеристики летательных аппаратов, которые на традиционном нефтяном топливе не достижимы.
Использование СПГ в гражданской авиации на грузовых и пассажирских магистральных самолетах гарантирует:
- возрастание коммерческой нагрузки, увеличение числа посадочных мест;
- увеличение максимальной дальности авиарейсов;
- устранение дефицита топлива;
- снижение себестоимости перевозок;
- улучшение экологических условий в районах аэропортов.
Сравнение характеристик самолета, работающего на СПГ, с обычным самолетом, летающем на керосине, показывает, что при некотором ухудшении летно-технических характеристик за счет дополнительных топливных баков и аэродинамических качеств (при двухтопливном исполнении) самолет на СПГ обладает значительным преимуществом. Так, для самолета Ил-86 установка двигателей, работающих на СПГ, и двух подвесных баков при одинаковой дальности полета позволит:
- снизить взлетную массу на 25,4 т (до 180,6 т);
- увеличить дальность полета на 600 км при постоянной взлетной массе;
- экономить за полет 38,1 т керосина при максимальной дальности полета, израсходовав при этом 19,5 т СПГ.
Проведенные расчеты и анализ по отечественным и зарубежным летательным аппаратам показывает, что при одинаковой полезной нагрузке переход на метановое топливо может снизить его затраты на транспортирование единицы массы полезной нагрузки на 16…27 % и, возможно, увеличить полезную нагрузку в 2,6 раза. Так, для самолетов А-310 и Ту-160 при одинаковой полезной нагрузке переход на СПГ позволит снизить затраты на единицу полезной нагрузки соответственно на 26 и 28 % При условии равенства начальных полетных масс полезная нагрузка увеличится соответственно в 1,26 и 1,47 раза.
Об эффективности использования СПГ в авиации можно судить по технико-экономическому расчету, выполненному Институтом газовой технологии США. Сверхзвуковой самолет, обладающий скоростью 3600 км/ч, может ежесуточно выполнять три рейса по 6400 км каждый, имея на борту 200 пассажиров. При наличии 500 таких самолетов объем перевозок составит 640 млрд пассажиро-километров. При снижении затрат даже на 0,06 цента за км, что полностью обоснованно, экономия достигнет 400 млн долл./г..
В конечном счете экономическую целесообразность применения криотоплив на летательных аппаратах (ЛА) различного назначения взамен традиционного реактивного топлива — керосина — следует оценивать путем сравнения их стоимости. За основу принимается количество топлива, которое затрачивается на транспортирование единицы полезной нагрузки при выполнении полетного задания, характерного для каждого типа ЛА. Применение криотоплива можно считать целесообразным в том случае, если его цена во столько раз выше цены традиционного топлива, во сколько раз меньше по сравнению с ним затраты криотоплива на единицу полезной нагрузки. Анализ данных по отечественным и зарубежным типам ЛА и проведенные расчеты показывают, что при одинаковой полезной нагрузке максимально возможное превышение цены СПГ по сравнению с керосином допустимо в 1,75 раза, а для варианта с максимапьно возможной полезной нагрузкой — в 3,2. При этом следует иметь в виду, что СПГ существенно (в разы) дешевле авиационного керосина.
По данным ОАО «Туполев», самолет на СПГ на 25 % дороже обычного, но при расходе 100 млн т/км экономия за счет топлива составит 4…5 млн долл..
В настоящее время Россия находится в числе передовых стран по созданию криогенной авиации, уже осуществлены первые полеты. Так получилось, что они проводились на водороде, а затем на СПГ. В январе 1989 г. экспериментальный самолет Ту-156, переоборудованный под работу на СПГ, совершил свой первый полет В октябре 1989 г. самолет совершил показательный полет по маршруту Москва — Братислава — Ницца на 9-й Международный конгресс по природному газу. В мае 1990 г. состоялся перелет по маршруту Москва— Минск — Ганновер для участия в Международной выставке, а в июле 1991 г. самолет совершил полет по маршруту Москва — Берлин.
Грузовой опытно-промышленный самолет Ту-156 с двигателями НК-89 в настоящее время является лабораторией для освоения технологии эксплуатации подобных самолетов на авиалиниях. На нем отрабатывается система хранения и подачи топлива, которая будет тиражироваться для установки на самолетах последующих разработок. Самолет двухтопливный и способен перевозить 14 т груза или 104 пассажира на расстояние до 2600 км. Керосин размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются в передней и задней частях фюзеляжа.
Среднемагистральный пассажирский самолет Ту-204К с двигателями ПС 92 создается на базе пассажирского сертифицированного среднемагистрального самолета Ту-204 с двигателями ПС-90А. Он также двухтопливный и способен перевозить 210 пассажиров на расстояние 5300 км Керосин размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются сверху на фюзеляже в обтекателе, имеющем минимальное аэродинамическое сопротивление. Топливная экономичность самолета около 19 г/пассажирокилометров близка к базовой.
Кроме указанных, ОАО «Туполев» предполагает разрабатывать и новый по компоновке региональный самолет, дальность полета которого с 53 пассажирами или 54 т коммерческого груза составляет 2000 км. Самолет экономичен и может летать как на СПГ, так и на авиационном керосине.
Ведутся разработки и других самолетов на криогенном топливе с повышенными скоростями полета, с недосягаемым в настоящее время потолком и улучшенными летно-техническими характеристиками.
Ряд ведущих фирм США, Японии и Германии — «Боинг», «Лок-хид», «Дойче Аэроспейс» и «Эрбас Индастри» — прогнозируют использование таких видов криогенного топлива, как СПГ и жидкий водород, в качестве основного горючего для авиации. Все они сходятся на том, что с 2010—2020 гг. развернется широкое внедрение криогеники в мировую практику авиации. Кроме значительного улучшения технических качеств самолета, наличие на борту криогенного топлива позволит широко применять криоэлектронику и создавать новые виды оружия. Уже сейчас создается инфраструктура по производству, хранению и заправке воздушных судов этими видами топлива.
Внедрение криогеники в авиацию, первым этапом которого стало использование СПГ, даст возможность:
- освоить гиперзвуковые технологии как переход к качественно новому этапу развития авиастроения и отечественного наукоемкого производства и технологий, что позволит значительно про двинуться в таких областях, как конструкции летательных аппаратов, новые конструкционные материалы, силовые установки на криогенных топливах, аэро- и термодинамика и др. Полученные результаты могут широко использоваться в различных отраслях промышленности;
- создать летательные аппараты нового класса — гиперзвуковые самолеты с различными задачами и возможностями, в том числе осуществляющие крейсерские гиперзвуковые полеты на границе плотных слоев атмосферы и ближнего космоса;
- создать задел для разработки многоразовых аэрокосмических систем Земля — орбита — Земля, обеспечивающих решение широкого круга задач в космосе и из космоса, что позволит наряду с ракетными разработать эффективные средства выведения нагрузок в космос, включающие аэрокосмические системы выведения горизонтального старта, которые выполняют взлет и посадку «по-самолетному».
В России и за рубежом работы над перспективными проектами многоразовых космических систем уже ведутся (проекты NASP, Boeing, Delta Cripper (США), Singer-2 (Германия), Hotol и Inter Hotol (Великобритания), Nal (Япония), Ty-2000, «Бурлак», МиГакс (Россия)).
Работы ведущих авиационных, ракетно-космических и криогенных фирм в России подготовили все условия для начала новой, криогенной фазы развития высокоэффективной, экономичной и экологически более чистой авиационной техники и ее наземного аэродромного обеспечения. Решение проблемы криогенной авиации должно сыграть по значимости такую же роль, как переход от поршневой авиации к реактивной.
По существу, авиационные криогенные разработки являются технологиями двойного назначения, позволяющими использовать криотопливо на других видах транспорта: в сельском хозяйстве, энергетике, для регулирования «пиковых» нагрузок газопроводов и др. Применение нового энергоносителя благотворно повлияет и на социальную сферу, на профессиональную ориентацию людей, на качество жизни общества.
Естественно, что внедрение СПГ как топлива будет эффективным и для вертолетов Такие разработки, как известно авторам, ведутся, в частности, на базе вертолета Ми-17 с двигателем ТВ-3-117. Изучается возможность создания семейства двигателей на СПГ ТВ-3-117, ТВ-7-117. Разработчики вертолетов, не отрицая целесообразности внедрения СПГ, на первом этапе отдают предпочтение горючему из смеси топлива пропан-бутанового ряда (ТПБР), имеющих в 1,6 раза большую плотность, в 6 раз более широкий температурный диапазон жидкого состояния и более чем на 120 °С выше температуру кипения, что дает значительные эксплуатационные преимущества перед СПГ. Однако ТПБР дефицитен, производится в основном из попутных газов нефтедобычи и необходим для химических производств. В связи с этим его применение как топлива ограничено.
Отработку самолетов на СПГ предполагается осуществлять на летно-испытательной базе АНТК им. Туполева (аэродром Раменское), а затем полетов — в г. Ухте и Санкт-Петербурге (аэродром Пулково) и на первом штатном оборудованном аэродроме, располагающемся предположительно в г. Ульяновске, где имеется крупный авиационный завод, производящий самолеты типа Ту-204.
На летно-испытательной базе АНТК им. Туполева предусматривается создание Государственного сертификационного центра испытаний авиационных агрегатов и оборудования с обеспечением заправки и эксплуатации летательных аппаратов на криогенном топливе (ГСЦИ), на базе которого будут отрабатываться все типы самолетов на криогенном топливе. Здесь же может проходить испытание и оборудование для других отраслей промышленности, использующих СПГ. Снабжение этой летно-испытательной базы СПГ может быть осуществлено при отработке самолетов за счет поставок топлива с установки, работающей в пос. Развилка Московской области. Перевозку СПГ на аэродромы Раменское или Домодедово можно осуществлять серийными автомобильными цистернами типа УТК 8/06; опыт таких перевозок был получен при заправках самолета Ту-156.
В Санкт-Петербурге также имеется возможность поставлять СПГ для экспериментальных полетов с существующих установок на ГРС ООО «Лентрансгаз» и на базе АГНКС ООО «Лентрансгаз» (г. Петродворец).
В Екатеринбург на аэродром Кольцово СПГ может быть доставлен из г. Первоуральска с установки ООО «Уралтрансгаз», а также с установок получения СПГ, создаваемых сейчас на Северной железной дороге.
Для обеспечения полетов при отработке и проведении сертификационных испытаний возможно дооборудование аэродромов г. Ухты, Санкт-Петербурга (Пулково) и другими криогенными комплексами, в том числе хранилищами, а Сосногорский газоперерабатывающий завод (г. Ухта) Севергазпрома может быть дооборудован в сжатые сроки для получения СПГ с производительностью, достаточной для экспериментальных полетов самолетов на криогенном топливе.
Для транспортировки СПГ можно использовать железнодорожные цистерны 15-147У объемом 65 м3 с порошково-вакуумной изоляцией и автомобильные цистерны ЦТК 25/06 объемом 25 м3.
Таким образом, уже в настоящее время создана опытно-про-мышленная инфраструктура для производства, транспортировки и использования СПГ небольшой, но достаточной для отработки и опытных полетов самолетов на СПГ производительности.
Для обеспечения штатного функционирования криогенной авиации необходимо решить сложную и наукоемкую задачу: создать промышленную наземную (аэродромную) инфраструктуру, обеспечивающую производство, транспортирование, хранение и заправку самолетов СПГ, одним из основных звеньев которой является строительство установок (заводов) по получению СПГ и средств, обеспечивающих хранение топлива и заправку самолетов, достаточных для штатных полетов пассажирской и транспортной авиации.
В подготовленных ФГУП «КБОМ им. В.П. Бармина» и рядом смежных предприятий проектах и технических предложениях указывается, что в России географически удачно взаимное расположение магистральных газопроводов и основных аэропортов. В связи с этим получение СПГ в штатном варианте можно организовать вблизи большинства крупных аэропортов в европейской и азиатской части страны вплоть до Новосибирска, а также в некоторых городах Сибири и Дальнего Востока (в Иркутске, Хабаровске, Комсомольске-на-Амуре и др.).
Учитывая, что для одной заправки самолета типа Ту-204М требуется порядка 20…25 т СПГ, для обеспечения им аэродромов гражданской авиации необходимо создать экономичную установку для получения СПГ по термодинамически эффективной схеме с производительностью порядка 10…12 т/ч, в блочно-модульном исполнении, в максимальной заводской готовности и с возможностью ее тиражирования, один модуль которой сможет обеспечить заправку до 10 самолетов в сутки. Такая схема также может позволить извлекать из газа тяжелые фракции углеводородов (пропан, бутан, этан), побочно получать горячую воду (до 20 т/ч) и электроэнергию (до 300…500 кВт). Установки целесообразно размещать вблизи аэродромов и связывать с хранилищем продукта трубопроводом
Размещение заводов по сжижению природного газа вблизи аэродромов с трубопроводной связью с хранилищем горючего на аэродроме и со стационарной системой заправки самолетов позволит в 1,8—2 раза снизить потери продукта, исключить его перевозки и тем самым удешевить стоимость заправки на 20.. 30 %. Такое решение позволит существенно сократить капитальные затраты на создание обслуживающих (технических) систем, таких как водоснабжение, электроснабжение, системы пожаровзрывопредупреждения и др. Кроме того, это позволит снабжать аэропорты дублирующим независимым источником электроэнергии, улучшить его инфраструктуру и инфраструктуру ближайшего населенного пункта, что удешевит СПГ минимум на 15% и позволит поставлять его сторонним потребителям. Особо следует подчеркнуть, что расположение установок сжижения газа вблизи аэродромов позволит существенно разгрузить железные дороги и автомобильный транспорт.
Хранение СПГ на аэродромах гражданской авиации целесообразно осуществлять в двухстенных изотермических резервуарах с перлитной изоляцией, уже освоенных промышленностью для других сжиженных газов Возможно хранение криогенного топлива и в емкостях с экранно-вакуумной изоляцией с минимальными потерями продукта на испарение.
Применение стационарной централизованной заправки самолетов удешевит (по сравнению с заправкой с помощью автомобильных заправщиков) стоимость заправки по крайней мере на 20…30 %, и, кроме того, появится возможность возвращения паров природного газа, образующихся при захолаживании баков самолета и наземной системы, в установку сжижения.
Таким образом, средства получения СПГ, системы хранения топлива и его заправки в самолеты в штатном варианте следует разрабатывать как единую сложную систему, требующую комплексного решения. В этом случае возможно создание эффективного и относительно дешевого комплекса аэродромного обеспечения криогенной авиации.
Аналогов подобному комплексу в мировой практике не существует. Оснащение аэродромов комплексами получения СПГ позволит использовать излишки продукта для народнохозяйственных нужд, снять напряжение в топливно-энергетическом комплексе и улучшить экологическую обстановку, а созданная для аэродромов модульная установка сжижения газа может быть использована и в других отраслях.
На основании предварительного анализа существующих трасс полетов самолетов гражданской авиации в пределах России с максимальной дальностью 1500…2200 км, загрузки авиалиний, пассажиропотоков и перспектив их развития представляется целесообразным в первую очередь переоборудовать для использования СПГ аэропорты Москвы (Домодедово), Санкт-Петербурга, Самары, Екатеринбурга, Оренбурга, Перми, Надыма.
Разработанный проект программы развития криогенной авиации показал высокий экономический эффект от ее внедрения и получение прибыли уже через 5 лет после начала ее реализации при решении задачи ускоренного развития промышленности Восточной Сибири и Дальнего Востока. Использование криогенной авиации позволит снизить стоимость перевозки людей и грузов из центральной части страны в эти регионы минимум на 30…50%, поскольку СПГ гораздо дешевле авиационного керосина. Известно, что в настоящее время авиационный керосин в Красноярск и Хабаровск доставляют самолетами Ил-76, что повышает его стоимость в 3—4 раза по сравнению с ценой в Самаре и Тюмени.