Запасы углеводородов не вечны и это быстро осознали люди, в конце 70-х годов геологи прогнозировали сокращение запасов чёрного золота, что привело к поиску альтернативных источников энергии. Больше всего для этой цели подходил водород, представляющий собой экологически чистое горючее с огромной теплотворностью, но весьма опасное в хранении, поскольку смесь его с воздухом моментально приводило к взрыву. Но, в середине 60-х годов, вновь открытые богатые залежи нефти и газа, заставили взглянуть на использование, особенно последнего, с несколько иной точки зрения.
Пути подхода к использованию криогенного топлива
Учёные Советского Союза уже в начале 60-х годов стали искать пути применения криогенного топлива. Военные были одними из первых, подержавших эту инициативу перехода на водородное топливо в авиации, а всерьёз занялись проблемой создания криогенных топливных систем в ОКБ им. А. Н. Туполева. Была изготовлена на основе Ту-154 летающая лаборатория, получившая индекс Ту-155.
Место заднего салона для пассажиров заняла ёмкость объёмом 20 м3 под сжиженный газ с системой экранно-вакуумной теплоизоляции, позволяющей длительное поддержание температуры – 253 градуса по Цельсию. Инженеры разработали невиданные меры безопасности. Система дренажа отводила пары водорода достаточно быстро как от двигателей, так и от источников статического электричества, бак с криогенным топливом не соприкасался с электрическими проводами. Стабильную работу двигателя обеспечивали, специально созданные тридцать бортовых систем.
Двигатель, размещённый справа, заменили на экспериментальный НК-88, работающий на криогенном топливе. Кроме установки других форсунок, была решена сложнейшая задача замены обычного топливного насоса на турбированный агрегат высокого давления, использующийся в ракетах, но с приводом от воздушного потока, создаваемого одной из ступеней компрессора турбореактивного двигателя.
Двигатель НК-88, работающий на водороде был установлен на летающей лаборатории Ту-155.
Самолёт Ту-155 с новой силовой установкой в апреле 1988 года поднял в воздух лётчик-испытатель В.А. Саванькеев, но, что хорошо работало в течение нескольких минут на ракетах-носителях, то для авиационных систем стало несколько преждевременным.
Пока инженеры и конструкторы решали задачи по устранению возникших проблем, вновь открытые залежи нефти позволили перейти к использованию более дешёвого природного топлива – газа метана. Метан по сравнению с авиационным керосином на 15% превосходит его по теплотворности и является гораздо экологичнее обычного авиатоплива.
Отпадает необходимость продувки ёмкостей с горючим азотом, чтобы исключить смешивание водорода с воздухом и образование взрывоопасной смеси. Сам природный газ в сжиженном виде возможно хранить при более высокой температуре почти на 1000 С выше, чем криогенное топливо.
Создание новой машины на природном газе
На летающую лабораторию установили двигатель, работающий на сжиженном природном газе (СПГ) и уже в январе 1989 года машину подняли в небо. Дальнейшие испытания дали понимание реальности использования природного газа для авиации. В ходе испытаний Ту-155 в воздухе было установлено десять мировых достижений и выполнено несколько международных перелётов по европейским странам.
Летающая лаборатория ТУ-155 установила 10 мировых рекордов.
Летающая лаборатория дала возможность накопить опыт в создании, усовершенствовании и дальнейшей разработки систем на криогенном топливе в авиации. Следующим шагом было создание на базе серийного Ту-154М авиалайнера для коммерческих перевозок с обозначением Ту-156. Для него разработали силовую установку, способную работать как на авиационном керосине, так и на сжиженном природном газе.
Двигатель под индексом НК-89 был оснащён таким же турбонасосом, приводимым в движение воздушным потоком от компрессора реактивного мотора – всё было изготовлено по проверенной схеме от двигателя НК-88. За турбиной разместили теплообменник, который превращал сжиженное топливо в легковоспламеняющийся газ.
Конструкторам удалось, не нарушая аэродинамику машины, разместить основной бак с природным топливом весом 13 тонн вместо заднего салона для пассажиров и чтобы не нарушить центровку, под полом пассажирского отделения в носовом отсеке для багажа установить ёмкость для сжиженного природного газа на 3.5 тонны.
На схеме показаны размещение основного и переднего центровочного бака на самолёте Ту-156
Такие баки для криогенного топлива выполнены из сплава алюминия, покрытого полиуретановой пеной толщиной 5 см должны сохранять низкую температуру и выдерживать внутреннее давление не менее 0.2 МПа. Вся это довольно сложная конструкция крепилась внутри корпуса самолёта в нескольких точках, тем самым уменьшая площадь соприкосновения с фюзеляжем и минимизируя передачу тепла. Система дренажа баков с СПГ, подобная схеме на летающей лаборатории Ту-155, была настроена на сброс паров метана лишь в экстремальных ситуациях.
Заправка Ту-156 сжиженным природным газом на аэродроме.
Грузоподъёмность Ту-156 уменьшилась на 4 тонны по сравнению с серийными машинами из-за размещения баков с природным сжиженным газом. Две системы питания топливом – одна на авиационном керосине, другая от природного газа позволяли летать в аэропорты, не оборудованные для заправки метаном. Дальность перелёта на обычном топливе составляла 3300 км, а на криогенном – 2600 км, поскольку объём штатных баков с керосином был больше.
В ОКБ им. Туполева предусмотрели действия в случае отказа системы питания природным газом, в этой ситуации через несколько секунд осуществлялся переход на работу силовых установок от авиационного керосина, что практически не влияло на безопасность полёта.
Весной 1999 года вся техническая документация была подготовлена, проблем для создания первого в мире пассажирского лайнера Ту-156 не предвиделось, стоимость переоборудования обычного Ту-154 на питание от природного газа находилась в пределах от 700 тысяч долларов до 1.1 млн.
Интерес к разработкам самолёта на криогенном топливе проявила компания «Боинг», предлагавшая провести совместные испытания. Другие западные фирмы заинтересовались машиной Ту-155 и хотели якобы купить её для музея, но просматривался явно другой смысл в этой сделке.
Заключение
Создание Ту-156 могло бы привести к широкому использованию самолётов на более дешёвом природном газе, но в нашей стране хотели сделать как лучше, а вышло как всегда. Отлетав более 100 полётов, Ту-156 занял место на вечной стоянке – у нашего правительства не хватило 12.5 млн долларов для сертификации и выпуска в серию этой перспективной машины.