Проблемы водородной энергетики

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА НА ЗЕМЛЕ, В ВОЗДУХЕ И В КОСМОСЕ

То давнее событие западная пресса приравняла к первому космическому полету. 15 апреля 1988 года впервые в мире состоялся полет самолета ТУ-155 с двигателем, работающим на жидком водороде. Таким ошеломляющим оказался итог 12-летнего плодотворного сотрудничества множества научно-исследовательских и испытательных центров и производственных организаций СССР под эгидой двух гигантских опытно-конструкторских бюро, возглавляемых в то время А.А. Туполевым и Н.Д. Кузнецовым. В результате на практике была доказана реальность применения альтернативного керосину экологически чистого топлива и закреплено лидерство Советского Союза в разработке опережающего технологического задела по освоению криогенной техники в авиационной промышленности, что подтверждено десятками патентов на объекты интеллектуальной собственности (ОИС) и установлением четырех мировых рекордов (Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В.Т., Малышев В.В. и др. Внимание, газы: Криогенное топливо для авиации. М. “Московский рабочий”. 2001).

Три года спустя новый успех России уже обсуждался на заседании конгресса США: 28 ноября 1991 года состоялось первое в мире успешное испытание гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) при работе на жидком водороде с достижением скорости полета около 7 тыс. км в час (Семенов В.Л. Разработки в направлении развития водородной энергетики / Конверсия в машиностроении. 1997. № 6).

Только через 13 лет, в 2004 году, американцы сумели с помощью ракетного ускорителя “Пегас” испытать похожий ГПВРД в составе модельного планера при его работе только на газообразном водороде, правда при скорости, в 1,5 раза превышающей российское достижение.

И наконец, одному из авторов настоящей статьи довелось быть свидетелем того, как в 2006 году на конференции по комбинированным силовым установкам в г. Сакраменто (США) специалисты многих стран мира устроили овацию профессору из Воронежа Ю.В. Демьяненко по окончании его доклада, который касался результатов успешных испытаний кислородно-водородного ракетного двигателя РД-0146 тягой 10 т, созданного коллективом Конструкторского бюро химавтоматики (КБХА) за 1,5 года с “чистого” листа: первый же экземпляр ЖРД при его испытании подтвердил заявленные технические показатели. Такой пример в мировой практике двигателестроения пока единственный. Кстати, именно в КБХА создан маршевый кислородно-водородный двигатель XXI века с уникальной тягой (200 т) в единичном агрегате для космической системы “Буран”, успешный запуск которой состоялся в ноябре 1988 года (Гуров В.И. Интеллектуальный бизнес – основа реализации прорывных инновационных решений / «ЭФГ» № 19, 2008 г.).

Ныне в мире широко обсуждаются перспективы прорывной водородной концепции, призванной в корне изменить энергоэкологические подходы человечества к организации промышленного производства и бытоустройства людей. В этих условиях Россия имеет уникальную возможность стать лидером в формировании новой водородной цивилизации с учетом опережающего технологического задела и огромного материально-технического и интеллектуального ресурса.

Экономика России должна приобретать инновационный характер. Таково ныне требование времени: вновь создаваемые объекты интеллектуальной собственности (ОИС) должны активно вовлекаться в хозяйственный оборот. Стремление войти в глобальное экономическое и научное пространство тесно сопрягается с необходимостью грамотного освоения практики использования патентов на ОИС.

Патент выполняет несколько функций, в частности подтверждает государственное признание уровня научно-технической разработки и закрепляет за обладателем исключительное право на его использование. Патент – весомый аргумент для потенциального инвестора, порой далекого от тонкостей научно-технического прогресса. Важное значение имеет и наукометрическое значение патента, поскольку с его помощью можно оценивать, в том числе количественно, практическую перспективность результатов научно-технической деятельности государства, научного учреждения, отдельного работника.

Очевидно, что коммерциализация ОИС повышает уровень капитализации предприятия за счет увеличения доли балансовой стоимости нематериальных активов (НМА) в его общей балансовой стоимости. Например, у фирмы “Дженерал Электрик” стоимость НМА составляет 40 процентов от балансовой стоимости, а у нашего Газпрома – только 0,08 процента.

Необходимость проведения подобных мероприятий диктуется потребностью повышения конкурентоспособности нашей продукции и ее надежной защиты от появившихся в России за последнее время “хитрых” фирм с международными патентами на наши высокие технологии, расплачиваться с которыми придется со временем нашей же недооцененной ОИС.

В связи с этим Счетной палатой подготовлена основа для целого ряда инспекций предприятий авиационно-космической промышленности (АКП) с целью выявления неучтенных и не поставленных на баланс нематериальных активов, созданных на бюджетные деньги за много лет. Проведение государственной экспертизы ОИС и обеспечение их патентозащищенности является необходимым условием формирования основы сотрудничества разработчиков интеллектуального объекта и бизнесменов. Не менее важен другой вопрос: как же проявить коммерческую привлекательность ОИС с целью широкого привлечения к нему потенциальных инвесторов? Очевидно, что самым убедительным доводом для закрытия вопроса может служить работающий опытный образец или, в крайнем случае, результаты успешных испытаний ключевого элемента сложной технической системы. Финансовые средства для этого могут быть получены на договорной основе с потенциальным инвестором или заинтересованной организацией при условии предварительного разделения доли участия в разработке или внедрении ОИС.

Однако масштаб предложенного пути реализации ОИС касается технических решений типа микрогазотурбинной установки мощностью 30 кВт фирмы Сapstone Turbine Corporation. Глобальные инновационные проекты, такие как разработка водородной концепции, требуют иного подхода, прежде всего на государственной основе.

Мы становимся свидетелями резкого ухудшения экологической ситуации в мире из-за повышения вредных выбросов при производстве и потреблении энергии в промышленности, на транспорте и в быту. Главной радикальной мерой решения затронутой проблемы может стать интенсивная разработка и реализация водородной стратегии: производство, транспортировка, хранение и использование водорода в качестве топлива во всех сферах народного хозяйства.

Решению этих задач посвящены разделы “Технологии водородной энергетики” в Федеративных целевых программах “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2012 годы” и “Национальная технологическая база” на 2007–2011 годы, которые вместе создают основу Национальной программы НИОКР в области водородной энергетики. По мнению многих специалистов, целесообразно эту программу дополнить рядом разделов и оформить соответствующим решением правительства. Важнейшие разделы, которые необходимо включить программу, должны быть посвящены развитию водородных авиационно-космических и водородных криогенных технологий и систем. В этих областях наша страна имеет большие достижения и в ряде направлений лидирует.

Современные достижения по освоению водорода в авиационной и ракетной отраслях промышленности дают нам шансы сохранить полученное опережение и совершить мощный рывок по дополнительной отработке высоких технологий, в том числе для земных нужд. В частности, для проведения НИОКР (на базе уже выполненных поисковых и фундаментальных исследований) по подготовке самолета ТУ-204 для полета с использованием водорода в качестве топлива потребуется 200 млн. руб. на 3–4 года с решением четырех проблем, две из которых очень важны для земных нужд. Это – устранение насыщения водорода кислородом при хранении и замена точечных датчиков очагов пожара на ленточные датчики. Наряду с этим при подготовке полетов ГПВРД отработаны проблемы заправки, хранения и транспортировки жидкого водорода, а при создании кислородно-водородных ЖРД успешно решены, например, вопросы водородной деградации материалов и ее предупреждения.

Использование водорода в качестве топлива в силовых установках высокоскоростных летательных аппаратов принято в качестве приоритетной задачи авиакосмической промышленности во многих технически развитых государствах мира.

Исследования в этом направлении, проведенные в ЦИАМ по теме “Холод”, привели к созданию двигателей С-57 и С-58, работоспособность которых была продемонстрирована при летных испытаниях в составе гиперзвуковых летающих лабораторий (ГЛЛ). ГЛЛ “Холод” создана на базе ракеты зенитного комплекса С-200. При этом гиперзвуковой прямоточный двигатель был установлен в головной части ракеты. В такой компоновке он работал при максимальной скорости полета 1830 м/с, то есть с числом Маха М_п = 6,5, на высоте 25–35 км при реализации процесса горения на сверхзвуковом режиме течения в камере сгорания. Двигатель отработал по заданной программе (см. 5-е испытание в таблице 1) 77 секунд до момента самоликвидации ракеты С-200, сохранил свою работоспособность и, судя по анализу материальной части, подтвердил эффективность технических решений, заложенных в его конструкцию. Это выдвинуло нашу страну на первое место в мире (Виноградов В.А., Семенов В.Л., Шихман Ю.М. К 15-летию первого в мире летного испытания ГПВРД на жидком водороде / Двигатель. 2006, № 6; Рудаков А.С., Семенов В.Л., Строкин М.В. Огнедышащий “Холод” / Двигатель. 1999, № 2) по применению водорода в авиадвигателях и созданию гиперзвуковых технологий.

В 1998 году Австралия в кооперации с Японией, Южной Кореей, Англией, Германией и США провела летные испытания модели ГПВРД на газообразном водороде в качестве топлива (в рамках программы Hy Shot) с использованием метеорологической ракеты Терьер-Орион. Модель ГПВРД была установлена в головной части ракеты и не имела охлаждения. Время работы в полете составило 5 секунд при скорости, соответствующей числу М_п = 7,6, с достижением высоты 30 км. В этих полетах было продемонстрировано горение в сверхзвуковом потоке в камере сгорания ГПВРД (Boyce R., Gerard S., Paull A. The Hy Shot seramjet flight experiment-flight data und CFD calculations compared AIAA 2003-7029).

В 2004 году в США провели два летных испытания моделей камеры сгорания ГПВРД в рамках программы Hyper-X. При этом использовался гиперзвуковой летательный аппарат Х-34А, который совершал автономный полет с работающей моделью камеры сгорания после отделения от стартового ускорителя (бустера) – ракеты «Пегас». В этих испытаниях были достигнуты скорости полета, соответствующие числам Маха М_п = 6,83 и 9,68. Время работы в полетах составляло 10 секунд (Афанасьев И. Успешный гиперзвуковой полет Х-43А/ Новости космонавтики. 2004, № 5; Voland R., Huebner Z., Mc Clinton С. X-43A Hypersonic vehicle technology development IAC-05-D2.01). При этом были определены тяговые характеристики камер сгорания, проведено сопоставление со стендовыми испытаниями и с расчетными методами. Как следует из сообщений, модели камер сгорания создавали тягу, достаточную для крейсерского полета. Безусловно, это крупное достижение в разработке гиперзвуковых технологий. Получены фундаментальные результаты в области организации горения в сверхзвуковых потоках. Однако эти результаты получены на неохлаждаемой модели камеры сгорания и могут существенно измениться в условиях реальной охлаждаемой конструкции двигателя.

Данные по летным испытаниям различных водородных ГПВРД для сравнения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Данные по летным испытаниям различных водородных ГПВРД

В настоящее время Япония, Китай и Индия ведут аналогичные исследования вопросов использования жидкого водорода в качестве топлива в гиперзвуковых прямоточных двигателях, которые рассматриваются как силовые установки для перспективных трансконтинентальных и воздушно-космических самолетов (Мельник П. Китайские исследования в области гиперзвука / Авиапанорама. 2006. № 2; Рао Р. Индия. Квантовый скачок в космос / Индия. Перспективы. Февраль 2007; Chinzei N. Progress in Seramjet Research at JAXA-Kakuda, JAPAN AJCPP2006-11002 (Труды конф.) Beijing, China, April 2006).

В целом исследования вопросов применения водорода как топлива в гиперзвуковых двигателях, проведенные и в нашей стране, и в зарубежных государствах, показали, что прямоточные двигатели на водородном топливе технически реализуемы и являются наиболее эффективными в качестве силовых установок для гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).

Особое место в работах по ГПВРД занимает создание технологии обеспечения стартовой позиции жидким водородом. Доставка жидкого водорода на полигон, подготовка бортовой емкости к заправке и сама заправка осуществлялись специалистами ЦИАМ совместно со специалистами Минобороны по технологической документации, разработанной в ЦИАМ.

Заправочный водородный комплекс создан на базе транспортной водородной цистерны ЦТВ 25/06 отечественного производства. В этой цистерне жидкий водород доставляется автомобилем из НИИХИМАШ (г. Сергиев Посад) в Казахстан, в район озера Балхаш, на расстояние около 4000 км.

Заправка бортовой емкости производилась в полевых условиях на стартовой позиции, при этом ракета находилась на пусковой установке. Технологическое оборудование, с помощью которого осуществлялась заправка жидкого водорода, разработано и изготовлено в ЦИАМ. Всё оборудование размещается в одном автомобильном прицепе. Развертывание заправочного оборудования на стартовой позиции занимает не более двух часов. Процесс заправки бортовой емкости, включая операции предварительных продувок, заполнения внутреннего сосуда и отогрева магистралей подачи после окончания заправки, продолжается не более трех часов.

Процесс свертывания оборудования после заправки и эвакуации со стартовой позиции требует около 30 минут. Все операции управления заправкой выполняются дистанционно со специального пульта. Состав газовой среды в магистралях, показания температурных датчиков, датчиков давления в различных точках магистралей подачи и в баке, измерения высоты уровня жидкого водорода при заполнении внутреннего сосуда контролируются дистанционно автоматизированной системой, что позволяло управлять процессом заполнения в режиме реального времени.

При конструкторской доводке жидководородный комплекс ГЛЛ “Холод” прошел большую экспериментальную отработку на стендовой базе НИИ “Криогенмаш”. В процессе этой отработки было проведено более двадцати заправок и сливов жидкого водорода из бортовой емкости. В результате была сертифицирована вся нормативная технологическая документация и определены технические характеристики бортовой системы подачи и хранения жидкого водорода, в том числе и возможности бездренажного хранения жидкого водорода в бортовой емкости, определяемые скоростью нарастания давления в емкости за счет теплопритоков. Причем были получены многочисленные опытные данные по изменению параметров среды в емкости по времени.

В целом следует подчеркнуть, что материальная часть, технология и нормативно-технологическая документация жидководородного комплекса, разработанного в ЦИАМ, продемонстрировали во время проведенных пусков ГЛЛ “Холод” высокую работоспособность и надежность.

По существу, представленный заправочный водородный комплекс может быть взят в качестве прототипа передвижной аэродромной системы заправки самолетов жидким водородом. Водородная цистерна ЦТВ 25/06 прошла освидетельствование в инспекции Гостехнадзора и имеет разрешение на эксплуатацию на дорогах страны. Все пульты управления, контроля и измерений при заправке выполнены в мобильном варианте. Специалисты ЦИАМ имеют достаточный практический опыт обращения с жидким водородом в полевых условиях.

Особенность авиационно-космической промышленности как высокотехнологической отрасли состоит в том, что значительную часть стоимости ее конечной продукции представляет стоимость результатов интеллектуальной деятельности. Достаточно упомянуть о головной роли ЦИАМ в подотрасли в вопросах разработки, а также внедрения объектов интеллектуальной собственности (ОИС). Например, за период 2003–2007 годов в ЦИАМ подано 209 заявок на изобретения и полезные модели с получением соответствующих положительных решений, подкрепленных выдачей 183 патентов на охрану ОИС. В числе патентозащищенных технических решений имеется немало таких, которые связаны с научно-технологическим заделом по водородной тематике. В частности, целесообразно отметить некоторые патенты, касающиеся разработок по применению водорода для жидкостных ракетных двигателей и воздушно-реактивных двигателей, а также в области обеспечения транспорта, заправки, хранения и использования водорода в наземных газотурбинных установках на базе авиационных двигателей (Витошкин А.А., Гуров В.И., Мальцев О.В., Никитин Л.Н. и др. Кислородно-водородный жидкостной ракетный двигатель. Авт. свид. СССР № 1517427 по заявке № 4319505 от 22.10.87 г.; Семенов В.Л., Клеянкин Г.А., Дударева Н.Н., Щекарева И.Г. Емкость для криогенных топлив. Патент РФ на изобретение № 2270788 с приоритетом от 27.02.2006 г.; Семенов В.Л., Клеянкин Г.А., Дударева Н.Н., Щекарева И.Г. Заправочно-дренажное устройство для заправки в бортовые емкости криогенных, взрывоопасных и токсичных компонентов топлива. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2006145407 от 21.12.2006 г.; Гуров В.И., Ведешкин Г.К., Прокопенко Ю.Г., Шестаков К.Н. Газотурбинная установка. Патент РФ на полезную модель № 43919 от 22.10.2004 г.; Гуров В.И., Ведешкин Г.К., Семенов В.Л., Шестаков К.Н. и др. Устройство утилизации утечек жидкого криогенного топлива. Патент РФ на полезную модель № 41803 от 10.11.2004 г.; Погорелова О.Ф., Иванов А.П. Устройство для измерения температуры криогенных жидкостей в гиперзвуковых летательных аппаратах. Патент РФ на полезную модель № 52172 от 10.03.2006 г.; Погорелова О.Ф., Иванов А.П. Устройство для определения утечки газообразного водорода в отсеках гиперзвукового летательного аппарата. Патент РФ на полезную модель № 40485 от 08.12.2004 г.).

Применительно к ГТУ детально проработана в рамках технического решения по патенту № 41803 от 10 ноября 2004 г. возможность частичной добавки водорода (до 4% по объему) к природному газу в специально разработанных многоствольных горелках, прошедших успешную апробацию (при работе на попутном газе) в течение 3000 часов в составе передвижной автоматизированной электростанции ПАЭС-2500 мощностью до 2,5 МВт (Гуров В.И., Супонников И.Ф., Шестаков К.Н. Газотурбинные установки и теплогенераторные устройства нового поколения / Тяжелое машиностроение. 2005. № 7).

В заключение отметим, что представленный материал подтверждает высокий уровень научно-технологического задела, достигнутого в нашей стране по применению водорода в авиации и ракетостроении. Многие из полученных результатов могут быть эффективно использованы для земных нужд.

В.И. Гуров, доктор технических наук,

В.Л. Семенов, кандидат технических наук

(ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова)