Rolls-Royce запатентовала систему хранения и подачи криогенного водородного топлива для авиационных газотурбинных двигателей (то есть, практически всех: поршневые остались только в малой авиации). Патент описывает конструкцию, которая может устанавливаться как на новые самолёты, так и на уже эксплуатируемые — путём модернизации существующих двигателей. Авиакомпании при этом получают возможность выбирать режим работы: летать на чистом водороде, на керосине или на двух топливах одновременно (конечно, не на смеси, а с подачей из разных баков).
Чтобы понять, в чём состоит инженерная новизна этого решения, нужно разобраться, почему водород вообще так сложно использовать в качестве авиационного топлива. Проблема не в горении: водород прекрасно горит. Проблема в хранении. В газообразном виде водород имеет крайне низкую плотность и занимает огромный объём, поэтому его необходимо хранить в жидком состоянии. Но жидким водород остаётся лишь при температуре −253 °C — это всего на 20 градусов выше абсолютного ноля. Для сравнения: температура жидкого азота, которым охлаждают магниты в МРТ-аппаратах, составляет «всего» −196 °C. Водород холоднее.
Если подавать такое топливо прямо в камеру сгорания, не успев его нагреть, возникнут серьёзные проблемы со стабильностью горения: водород слишком реактивен и капризен при экстремально низких температурах. В СССР с этим столкнулись ещё при создании двигателя НК-88 для Ту-155: водород начинал вскипать прямо в форсунках, возникали низкочастотные пульсации, способные разрушить камеру сгорания. Тогда советские инженеры решили проблему с помощью теплообменника-газификатора.
Rolls-Royce предлагает примерно такое же решение той же задачи. Согласно патентной заявке, в конструкции предусмотрена вспомогательная камера сгорания: в ней сжигается небольшая часть водорода, чтобы подогреть остальной поток топлива перед тем, как оно поступит в двигатель. Система, таким образом, самодостаточна: для предварительного нагрева топлива не требуется ни внешний источник тепла, ни электричество. Водород буквально разогревает сам себя.
Криогенные баки при этом предполагается размещать снаружи фюзеляжа. Это решение сразу убивает двух зайцев: освобождает пространство внутри самолёта и физически отдаляет источник потенциальной опасности от пассажиров. Разветвлённая сеть резервных трубопроводов и отсечных клапанов обеспечивает живучесть системы: единичная неисправность не выведет из строя всю топливную магистраль.
Принципиально важная деталь этого патента — его ориентация на существующий авиапарк. Rolls-Royce заявляет, что конструкция может быть установлена на уже эксплуатируемые самолёты, позволяя авиакомпаниям переключаться между водородом и традиционным керосином. Это попытка разорвать порочный круг: авиакомпании не хотят покупать водородные самолёты без заправочной инфраструктуры, а аэропорты не готовы строить инфраструктуру без гарантированного спроса. Новый подход позволяет начать с малого — модернизировать несколько двигателей, не меняя весь флот, нарабатывать реальный опыт эксплуатации и постепенно формировать рынок. Хотя кто и как будет сертифицировать такие переделки – вопрос риторический. Очевидно, что никто и никак.
Мы не случайно упомянули НК-88: первый опыт человечества с водородом в авиации. 15 апреля 1988 года с аэродрома в подмосковном Жуковском поднялся экспериментальный Ту-155 — первый в мире самолёт, двигатель которого работал на водороде на всех режимах полёта. Машина представляла собой глубокую модификацию серийного Ту-154 — одного из самых массовых советских авиалайнеров. Один из трёх двигателей заменили на НК-88, работавший на водородном топливе; два других продолжали работать на керосине. Теплоизолированный бак с жидким водородом занимал огромное пространство в хвостовой части фюзеляжа — там, где у пассажирского Ту-154 был салон. Запаса водорода хватало примерно на два часа полёта.
В ходе обширной программы испытаний Ту-155 установил 14 мировых рекордов и совершил международные перелёты по маршрутам Москва-Братислава-Ницца и Москва-Ганновер. Всего было выполнено 70 полётов, во время пяти из них топливом служил водород, в остальных — сжиженный природный газ. Американские специалисты оценили советское достижение как веху, сопоставимую по значимости с запуском первого спутника в 1957 году. После распада СССР программу закрыли. Самолёт до сих пор стоит в Жуковском.
Ту-155 на МАКС-2015. Фото: Федор Борисов
Почему же, если технология была доказана ещё при Горбачёве, мы по-прежнему летаем на керосине? Причин несколько, и все они системные. Первая и самая очевидная: сам самолёт приходится существенно перепроектировать. Даже в жидком виде водород имеет значительно меньшую объёмную энергетическую плотность, чем керосин. Это означает, что авиакомпаниям придётся жертвовать либо вместимостью, либо дальностью полёта — ради размещения громоздких теплоизолированных криогенных баков. Ту-155 в этом смысле был честным: пассажирский салон просто убрали и поставили туда водородный бак. Для экспериментов сойдёт, а для коммерческих перевозок куда вы посадите пассажиров и сколько.
Вторая проблема — аэропортовая инфраструктура, и она, пожалуй, даже серьёзнее первой. Водород нельзя хранить в обычных топливных цистернах: нужны криогенные резервуары, способные поддерживать температуру, близкую к абсолютному нулю. Его нельзя перекачивать по стандартным топливопроводам. Заправка требует принципиально иного оборудования. Всё это означает, что аэропорт, желающий обслуживать водородные самолёты, должен фактически построить у себя мини-завод по работе с криогенными жидкостями. Аэропорты и энергетические компании не хотят вкладывать миллиарды без гарантированного спроса, а авиакомпании не станут покупать водородные самолёты без инфраструктуры для заправки — классический замкнутый круг.
Третья проблема — стоимость самого водорода. «Зелёный» водород — тот, что производится с использованием возобновляемой энергии и действительно не оставляет углеродного следа — сегодня обходится примерно в $6 за килограмм, что примерно удваивает операционные затраты авиакомпаний (и, как вы понимаете, в два раза дороже платить за авиабилеты никто не будет, то есть, возить на водороде будет некого). Подавляющее большинство производимого сегодня водорода получают из природного газа, что сводит на нет всю экологическую повесточку (причём вовсе не потому, что в Европе, которая активно за неё топит, газа нет). Это примерно как жечь уголь, чтобы заряжать электромобили. Сам Rolls-Royce признаёт это прямо: «Учитывая ограничения по объёму хранения водорода и низкую удельную мощность топливных элементов, на дальних маршрутах наиболее вероятным решением в обозримой перспективе остаётся использование SAF в газотурбинных двигателях».
На стенде запускать двигатель на водороде куда проще, чем на реальном самолёте
Именно поэтому водородная авиация в нынешнем видении отрасли — это прежде всего региональные маршруты на небольших самолётах. Rolls-Royce рассчитывает иметь водородный двигатель для малых и средних воздушных судов к середине 2030-х годов, начав с самолётов на 30–40 кресел. На коротких маршрутах компромисс между объёмом баков и коммерческой загрузкой не столь критичен, водород расходуется меньше, а сама идея строительства криогенной заправки в одном-двух аэропортах выглядит хотя бы финансово обсуждаемой.
Лётные испытания ожидаются ближе к концу десятилетия, после чего начнётся длительный процесс сертификации. Но станет ли водородная авиация массовой — вопрос по-прежнему открытый.