Технологии прошлого, которым уготовано будущее

О прорывных разработках советского периода.

Неоспоримо, что научно–технический задел СССР имел лидирующие позиции в мире. Немало достижений нашего прошлого даже сегодня представляются фантастическими. Одно из них – полет самолета Ту–155, двигатель которого работал на водороде. 35 лет минуло с тех пор. Увы, о юбилее наши главные СМИ не обмолвились ни словом. «ТР» в 2016 году напомнил об этом свершении.

Сегодня, когда государство активно инициирует развитие технологий, в том числе авиационных, темы триумфальных и, к сожалению, несправедливо подзабытых технологических завоеваний былых времен все чаще указывают на нашу более чем странную расточительность. Надо полагать, что именно это имел в виду премьер–министр РФ Михаил Мишустин в ходе недавнего посещения ПАО «ОДК–Кузнецов» в Самаре, где заявил: «Мы должны 100%–но стимулировать использование отечественных высокотехнологичных решений. Россия полностью обладает собственными компетенциями в сфере газотурбинного двигателестроения, что является большим завоеванием на фоне других стран».

Полеты наяву, а не во сне…

Итак, 15 апреля 1988 года поднялся в небо экспериментальный самолет с двигателем НК–88, одна из трех силовых установок которого была переоборудована для работы на жидком водородном топливе. В США этот факт оценили так: «Полеты советского самолета на жидком водороде являются в истории по своей значимости такой же вехой, как и первый орбитальный полет советского спутника в 1957 году». Пилотировал воздушное судно заслуженный летчик–испытатель СССР Владимир Севанькаев. В состав экипажа входили: заслуженный летчик–испытатель СССР Андрей Талалакин, борт-инженер–испытатель первого класса Анатолий Криулин, борт-инженер–испытатель первого класса Юрий Кремлев, ведущий инженер–испытатель первого класса Валерий Архипов. Всего были выполнены пять полетов на жидком водороде общей продолжительностью 4 часа 27 минут. Полеты прошли без отказов штатных и экспериментальных систем и подтвердили реальную возможность применения водородного топлива в авиации. Более того, экспериментальный лайнер совершил несколько международных полетов в Европу по маршрутам Москва – Братислава – Ницца и Москва – Ганновер – на конференцию по проблемам использования криогенного топлива в авиации. Этим прототипом были поставлены 14 мировых рекордов. Принято считать, что именно тогда и появилась на свет так называемая программа «Холод», а в дальнейшем и «Холод–1».

«С инициативой создания экспериментального самолета, использующего в качестве топлива жидкий водород, выступил генеральный конструктор ОКБ А.Н. Туполева Алексей Туполев», – вспоминает Валерий Архипов. Аргументы он указал следующие: «Это почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании воду и незначительное количество оксидов азота. По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин. Программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации». Немаловажную роль здесь сыграл нагрянувший в середине 1970–х годов энергетический кризис.

«В 1980–е годы на базе пассажирского лайнера Ту–154 туполевцы создали летающую лабораторию Ту–155, – продолжает делиться воспоминаниями Валерий Архипов. – Проектировщикам пришлось существенно изменить компоновку самолета и решить целый ряд сложнейших технических задач, поскольку водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его удобно в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (–250 °C), – это была и остается очень серьезная проблема.

На базовом самолете Ту–154Б (прототипе) был выполнен целый ряд конструктивных изменений: в специально выделенном отсеке салона самолета установили топливный бак с высокоэффективной теплоизоляцией для размещения жидкого водорода; доработали топливную систему самолета; был установлен экспериментальный топливный комплекс; были установлены дополнительные системы для управления и контроля работы криогенного комплекса; вместо штатного правого двигателя НК–8–2У установили экспериментальный двигатель НК–88, созданный в ОКБ Н.Д. Кузнецова.

Всего на самолете были смонтированы порядка 30 новых систем, что говорит о глубине изменений конструкции самолета

Для обслуживания самолета и проведения наземных испытаний в АНТК имени Туполева был создан уникальный наземный авиационный криогенный комплекс. На самолете Ту–155 был проведен большой и всесторонний комплекс наземных и летных испытаний, при этом опытная силовая установка двигателя НК–88 работала и на жидком водороде, и впоследствии на сжиженном природном газе (СПГ)».

В основе – пламенный мотор

Однако история зарождения авиации на криогенном топливе началась намного раньше. «Изучение водородной тематики активно развернулось еще в 1950–х годах, позднее ЦИАМ разработал первый отраслевой стандарт на водород в качестве авиационно–космического топлива. В 1967 году в ЦИАМ прошли стендовые испытания вертолетного ГТД–350, который работал на газообразном водороде попеременно с природным газом. Специалисты института обобщили данные по свойствам и характеристикам горения водорода, изучили способы его получения, хранения и транспортировки, дали анализ последствий глобального перехода на водородную технологию. Водород обеспечивает снижение удельного расхода керосина в 2,8 раза. При этом использование водорода требует доработки системы топливопитания и автоматического управления, камеры сгорания; добавления ряда новых узлов и агрегатов, таких как теплообменник–газификатор, топливно–нагнетающий агрегат и другие», – рассказал гендиректор ЦИАМ Андрей Козлов.

Основа любого воздушного судна – силовая установка. Без двигателя – это просто планер. Но требовался не просто двигатель, а мотор, работающий на жидком водороде. Аналоги такового в мире отсутствовали. При этом именно водородный двигатель имел ключевое значение в программе создания криогенного самолета Ту–155. В 1974 году в минавиапроме СССР пришли к убеждению, что подобный двигатель стране нужен и его можно создать в короткие сроки. Был издан соответствующий приказ за подписью министра Петра Дементьева.

Приказ есть приказ. В двигателестроительном конструкторском бюро неподалеку от Куйбышева (ныне Самара) под руководством одного из величайших конструкторов авиационных двигателей XX столетия академика Николая Дмитриевича Кузнецова стартовали работы по применению жидкого водорода в качестве топлива для авиационных ГТД. В основной состав инженеров, работавших над этим двигателем, вошли выпускники Куйбышевского авиационного института (сейчас Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева). Главным конструктором опытного водородного двигателя НК–88 был назначен сподвижник Николая Дмитриевича, талантливый конструктор и ученый, доктор технических наук, профессор Владимир Орлов.

На предприятии создали экспериментальную базу, использовав бывшую криогенную стендовую инфраструктуру, оставшуюся после работ над ЖРД. В течение 6 лет сразу по трем двигателям (НК–8–2У, НК–22 и НК–144) удалось выйти на надежную работу с турбонасосной системой подачи жидкого водорода в основную и форсажную камеры. В 1980 году запустили программу по новому водородному ГТД НК–88 (на базе конструкции НК–8–2У). Была создана наземная криогенная инфраструктура, которая позволила провести многократные заправки самолета Ту–155 жидким водородом, проведены наземные испытания двигателя НК–88 на жидком водороде, а также испытания и техническое обслуживание новых криогенных систем самолета и силовой установки.

В результате за удивительно короткие сроки команда Николая Кузнецова снабдила туполевцев не только прорывным двигателем, но и проработанными конструктивными решениями по компоновке разрабатываемого самолета и наземных обслуживающих систем.

На этом двигателестроители не успокоились. Успешно завершив программу летных испытаний на жидком водороде, в ОКБ Н.Д. Кузнецова принялись за следующую. Им предстояло доработать НК–88 для его эксплуатации на сжиженном природном газе (СПГ). И эта задача была решена в кратчайшие сроки – конструкторы передали туполевцам очередной агрегат НК–89, работающий на сжиженном природном газе.

«При полетах на СПГ программа наземных испытаний была укорочена вследствие уже набранного опыта работы на жидком водороде, и первый полет самолета на СПГ был совершен 18 января 1989 года, – рассказал в интервью «ТР» в ту пору советник отдела двигателестроения, агрегатов и оборудования департамента авиапромышленности Минпромторга России Алексей Игнатов. – Были выполнены полеты как на внутренних, так и на международных трассах. Все полеты, в том числе 12 демонстрационных с посадкой в российских и иностранных аэропортах, прошли без отказов самолетного криогенного комплекса. Затраты на создание Ту–155 составили 39 млн руб. в ценах тех лет».

С января 1989 по июль 1991 года Ту–155 совершил 39 полетов на СПГ с общей летной наработкой 43 часа 39 минут.

На основании проведенных работ и в соответствии с постановлением Правительства РФ от 15 октября 2001 года «О Федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002–2010 годы и на период до 2015 года» был разработан проект модифицированного самолета Ту–204К, использующего СПГ. Особое внимание было обращено на разработку мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации. Эти исследования показали, что при проектировании криогенной силовой установки с учетом особенностей и опыта эксплуатации криогенные топлива более безопасны, чем керосин. Увы, передовые разработки пришлись на начавшийся развал Советского Союза, поэтому финансирование программ и их выполнение оказались сорванными.

Алексей Игнатов подчеркнул, что основным итогом исследований стало доказательство возможности создания криогенной авиации. «Мы приобрели опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, разработки технологических процессов изготовления криогенных систем и агрегатов. Нами освоены методы испытаний, получены успешные навыки обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом, отработаны приемы и методы обеспечения взрывопожаробезопасности, создана кооперация по разработке авиационных систем. И что важно – доказательно определено, что в авиации выгодно применять жидкие топлива вследствие их более высокой плотности», – отметил Алексей Игнатов.

Назрела необходимость изменений

Остается сожалеть о том, что сегодня Минпромторг России подзабыл о таком важном событии. А также о связанных с ним собственных компетенциях. Но юбилейная дата не осталась совсем не замеченной. В ФАУ «ЦИАМ имени П.И. Баранова» в формате «круглого стола» состоялось посвященное ей расширенное заседание президиума Академии наук авиации и воздухоплавания.

В процессе обсуждения насущной темы члены Академии наук, специалисты и эксперты сфокусировались на наиболее важных аспектах, обратив особое внимание на огромный и не всегда востребованный научно–практический задел советского периода. В частности, было подчеркнуто, что в последние десятилетия ХХ столетия в Советском Союзе сложились предпосылки к переходу воздушного и других видов транспорта на экологически чистые, неограниченные источники энергии.

Авторитетное собрание пришло к единодушному мнению: перед отечественной авиацией в первой половине XXI века стоит задача освоения криогенного топлива. Кроме того, на фоне изменения геополитической обстановки в мире еще острее назрела необходимость глубоких изменений технологических и экономических аспектов применения водорода и других криогенных топлив, как в авиации, так и в другой транспортной технике.

Эта задача особенно актуальна сегодня, когда ведется работа над созданием концепции будущего российской авиационной промышленности и авиации в условиях геополитического и санкционного давления на российскую экономику.

Президиум Академии наук авиации и воздухоплавания рекомендовал обратиться в Правительство РФ с просьбой рассмотреть вопрос возобновления в стране работ по созданию авиационной техники на альтернативных топливах, принимая во внимание особую важность использования на транспорте и в энергетике криогенных и газомоторных топлив, а также имеющиеся уникальные научные и практические заделы.

«Уверен, – подчеркнул Валерий Архипов, – что уникальный отечественный задел по криогенным топливам будет в полной мере использован в последующие годы, и именно на такие технологии мы должны будем опираться в процессе строительства нашей авиации, контуры которого будет содержать формируемая концепция «Авиация России – 2050». Он заверил, что в скором времени основные положения концепции будут представлены широкой общественности. Но важнее, в каком итоговом виде она выйдет в свет.

Неисчерпаемый задел

У читателя может сложиться впечатление, что прорывные разработки прошлого ограничились двумя силовыми установками. Но это не так. Приведем несколько примеров отечественных прорывных изделий, в основу конструирования которых легли передовые разработки кузнецовцев. Так, в 1992 году, всего через 4 года после полета Ту–155, на полигоне был испытан ГПВРД – гиперзвуковой водородный двигатель, который стал принципиально новым словом для массового выхода истребительной (и не только) авиации на околоземную орбиту. Предварительные стендовые испытания прототипа – гиперзвуковой летающей лаборатории – были проведены в ЦИАМ. До скоростей от 3 до 5 Махов двигатель работал как обычный – прямоточный. При превышении этой пороговой величины автоматика меняла места подачи топлива в камеру сгорания, и агрегат превращался в гиперзвуковой. Всего в те годы были выполнены 7 полетов при достижении весьма обнадеживающего результата – устойчивой скорости перемещения объекта в 5,6 Маха.

«В результате этих работ стала очевидна возможность создания конкурентоспособных экономичных и экологически чистых криогенных самолетов, в том числе и высотно–космических. Такое судно (Ту–2000) способно производить мониторинг поверхности земли с целью предупреждения экологических катастроф, отслеживать военные конфликты и предупреждать ракетные атаки, спасать экипажи космических кораблей в аварийных ситуациях на станциях, удалять космический мусор», – рассказал Алексей Игнатов. Однако, по его мнению, создание ВКС типа Ту–2000 в связи с высокой стоимостью проекта возможно только при кооперации с миролюбивыми странами.

Также в начале 90–х годов ММЗ «Опыт» АНТК имени А.Н. Туполева разработал проект грузопассажирского самолета Ту–156, три двигателя которого должны были быть двухтопливными, то есть работать и на керосине, и на СПГ (государственная программа «Холод–5»). Двухтопливный двигатель для самолета Ту–156 получил наименование НК–89. 23 апреля 1994 года Правительство России издало постановление № 368 «О создании грузопассажирского самолета Ту–156 с двигателями НК–89, работающими на криогенном топливе». К тому времени бюджетное финансирование этой комплексной программы прекратилось, что привело к сокращению объема исследовательских и доводочных работ. С 1995 по 2004 годы эти работы продолжались исключительно за счет внутренних резервов ОАО «СНТК имени Н.Д. Кузнецова».

Другим масштабным проектом ПАО «ОДК–Кузнецов» по заказу ОАО «Российские железные дороги» стало изготовление двигателя НК–361 номинальной мощностью 8,3 МВт, работающего на сжиженном природном газе, для магистральных грузовых газотурбовозов ГТ1h–001 и ГТ1h–002. Магистральный газотурбовоз предназначен для эксплуатации на неэлектрифицированных участках железных дорог общего пользования для вождения грузовых поездов повышенной длины и массы.

Отработка двигателя НК–361 завершилась к концу 2007 года. Ходовые испытания газотурбовоза ГТ–001 начались в июле 2008 года. В настоящее время в системе ОАО «РЖД» успешно эксплуатируются на уральских магистралях два газотурбовоза: ГТ1–1h и ГТ1–2h. Каждый газотурбовоз имеет пробег около 100 тыс. км при наработке каждого из двигателей НК–361 порядка 2500 час.

В 2020 году ПАО «ОДК–Кузнецов» вернуло статус серийного производителя газотурбинных двигателей для авиации – после 25–летнего перерыва, когда осуществлялись только ремонт и сервисное обслуживание ранее выпущенных двигателей, в рамках государственного контракта с ПАО «Туполев» и Министерством обороны Российской Федерации. Турбореактивный двухконтурный трехвальный авиационный двигатель НК–32 серии 02 предназначен для использования на модернизированном сверхзвуковом бомбардировщике Ту–160М2. Является самым мощным в мире двигателем с форсажной камерой.

Сегодня на предприятии в рамках государственной программы «Развитие оборонно–промышленного комплекса Российской Федерации» реализуются 14 проектов строительства, реконструкции и техперевооружения на общую сумму более 20 млрд руб. Строятся новые производственные подразделения и объекты инфраструктуры в металлургическом, инструментальном, обрабатывающем и механосборочном производствах.

По мнению гендиректора ЦИАМ Андрея Козлова, имеющийся на современном этапе развития отечественных технологий экспериментальный и научно–технический задел позволяет разработать в России уже не двухтопливный, а однотопливный водородный двигатель, которому не нужен керосин в качестве пускового топлива, и систему автоматического управления таким двигателем.

Глава ЦИАМ рассказал о ведущихся в последние годы исследованиях технологий для перспективных летательных аппаратов различного назначения в части разработки гибридных силовых установок на жидком водородном топливе. Работы проводятся до высокого уровня готовности технологий, создан и испытан ряд демонстраторов технологий маршевых и вспомогательных силовых установок, в том числе на летающих лабораториях. В планах – создание демонстратора гибридной силовой установки на жидком водороде мощностью до 2 МВт.

Также российские ученые исследуют авиационные твердополимерные топливные элементы и электрические машины с использованием технологии высокотемпературной сверхпроводимости с применением охлаждения жидким водородом. Испытания подтверждают жизнеспособность разработанных решений в части кардинального улучшения удельных габаритно–массовых характеристик элементов и силовых установок в целом.

Вместо эпилога

Закономерный вопрос: почему наша гражданская авиация не летает на криогенном топливе? Все дело в дороговизне производства и эксплуатации соответствующих систем, считает значительная часть экспертов. Согласно технико–экономическим выкладкам выходит, что в условиях гражданского применения водород невыгоден, так как полная себестоимость его производства, хранения и перевозки превышает положительный экономический эффект. Базовые модели, которыми любят оперировать оппоненты криогенной авиации, показывают, что на 1 джоуль энергии, полученной от сгорания такого вида топлива, придется затратить от 4 до 12 джоулей энергии для обеспечения производственного цикла. На сегодня проблема повышенной энергоемкости по производству водорода так и не решена. К тому же возникают дополнительные риски, связанные с эксплуатацией новых топлив.

«Исследования показали, что при проектировании криогенной силовой установки с учетом особенностей и опыта эксплуатации криогенные топлива более безопасны, чем керосин. К аналогичным результатам в 1981 году пришла и американская фирма «Локхид». Основным итогом исследований стало доказательство возможности создания криогенной авиации», – пояснил корреспонденту «ТР» Алексей Игнатов. Он также подчеркнул, что жидкий водород имеет наибольшую из всех горючих теплоту сгорания. При его использовании дальность самолета при одинаковой полезной нагрузке может быть увеличена или при той же дальности можно увеличить массу перевозимого груза. Продуктом сгорания водорода является вода, то есть отсутствуют загрязняющие атмосферу вещества. Но главное – при массовом производстве с использованием передовых технологий стоимость жидкого водорода на единицу перевозимого груза может быть соизмерима со стоимостью нефтяного топлива. Также, рассчитывая себестоимость проекта, следует учитывать расходы наших авиакомпаний на выплаты Евросоюзу за эмиссию парниковых газов. А это порядка 20–25 миллионов евро ежегодных отступных.

Думается, полемика на сей счет еще не завершена. И, конечно же, арбитром в ней должны выступить серьезные эксперты, включая представителей Академии наук авиации и воздухоплавания и отечественных научных институтов. А пока двигатель НК–88 является экспонатом Центра истории авиационных двигателей Самарского университета. Всего лишь экспонатом…

Шамиль БАЙБЕКОВ.

На снимке: самолет Ту–155.