УДК 662.769.21

История водородной энергетики в авиации

Зиннурова Ольга Васильевна – доцент кафедры Химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета

Фаттахов Данил Альбертович – бакалавр Казанского национального исследовательского технологического университета

Барахнина Вера Борисовна – доцент кафедры Промышленной безопасности и охраны труда Уфимского государственного нефтяного технического университета

Аннотация: В статье описывается история и практическое применение водорода в авиации. Авторы дают глубокий анализ и оценку применения водорода в авиации, начиная с первого использования водорода в воздушных шарах и заканчивая современными исследованиями в области использования водорода в качестве альтернативного источника энергии для самолетов и дронов. Использование водорода имеет множество преимуществ и возможностей, но также определенные риски и ограничения. Также обращается внимание на экологическую значимость использования водорода в авиации, подчеркивается потенциал водорода как экологически чистого, не загрязняющего окружающую среду источника энергии. Однако стоит отметить, что для определения оптимального способа использования водорода в авиации необходимы дальнейшие исследования и разработки. В заключение приводится современная практика использования водорода в авиации. В ней подчеркиваются преимущества и ограничения использования водорода и рассматривается потенциал данного альтернативного источника энергии.

Ключевые слова: водород, авиация, применение, хронология, энергетический рынок.

В современном мире новым модным словом стало "безуглеродное" общество. Запущено множество проектов, направленных на разработку альтернатив не только экологическому кризису, но и дефициту ископаемого топлива. Благодаря успешным проектам в области автомобильных технологий, водород сейчас тестируется и используется в качестве экологически чистого топлива в авиации, что приведет к безуглеродному будущему. С середины XX века до начала XXI века многие страны и компании финансировали многомиллионные проекты по исследованию и разработке водородных самолетов. Эмпирические данные показывают, что различные проекты дали положительные результаты. В результате крупные компании вкладывают средства в инновации, осуществляемые исследователями под их руководством. Хотя эффективность самолетов, работающих на водороде, со временем возросла, коммерциализации водородного топлива препятствуют отсутствие заправочных станций, высокая себестоимость производства и интегрированный углеродный рынок. Кроме того, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являются еще одним важным компонентом аэрокосмической промышленности, и водород широко используется в качестве альтернативного топлива для тяжелых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с использованием технологии топливных элементов. Цель данной статьи – представить обзор хронологического развития авиационных технологий, работающих на водороде [1-3].

Мировой энергетический рынок стоимостью около 1,5 триллиона долларов в значительной степени зависит от ископаемого топлива. Однако ископаемое топливо - невозобновляемый ресурс, поэтому это серьезная проблема для современного мирового энергетического сектора. Широкое использование и потребление ископаемого топлива в энергетическом и транспортном секторах приводит к увеличению выбросов, значительным негативным внешним эффектам и экологическому ущербу, что ставит политиков в сложное положение. С одной стороны, отвергаются новые устойчивые источники энергии, а с другой – ископаемое топливо продолжают добывать и сжигать для удовлетворения растущего спроса на энергию, что приводит к серьезным экологическим последствиям. Стоит отметить, что выбросы напрямую связаны с количеством топлива, потребляемого в энергетическом и транспортном секторах, и что эти загрязнители оказывают значительное влияние на окружающую среду и условия жизни [1, 2-4]. Исследования показали, что проблемы с физическим и психическим здоровьем, вызванные загрязнением воздуха ископаемым топливом, а также респираторные заболевания у детей сегодня широко распространены в обществе. В последние годы наблюдается сокращение использования ископаемого топлива и рост его использования в качестве источника энергии, что привело к увеличению выбросов углекислого газа. Учитывая большие и сложные проблемы с выбросами, связанные с зависимостью от ископаемого топлива, исследование подчеркивает необходимость поиска устойчивых альтернативных источников энергии.

Внедрение водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу - важный шаг на пути к декарбонизации и удовлетворению потребностей энергетического сектора. Водород является отличным выбором по сравнению с другими вариантами для широкого спектра применений. Однако за пределами систем производства и распределения могут возникнуть многочисленные экологические проблемы, особенно при использовании водорода в топливных элементах и системах сгорания.

Глобализация и растущий спрос на энергию приводят к снижению потребности в ископаемом топливе. В результате многие страны рассматривают возможность использования альтернативных источников энергии, и водород является эффективным и экономически выгодным решением. Автомобили, работающие на водороде, были разработаны для повышения топливной эффективности при значительном снижении выбросов и концентрации вредных веществ [3-5]. В данном исследовании изучается влияние водорода в качестве вспомогательного топлива в бензиновых и дизельных двигателях на характеристики двигателя и выбросы. Использование водорода в качестве топлива снижает крутящий момент, мощность и тепловую эффективность двигателя внутреннего сгорания, но увеличивает расход топлива при торможении. Водород в качестве топлива — это чистый и устойчивый источник энергии, который следует развивать и дальше, поскольку он может снизить выбросы большинства двигателей, что благоприятно скажется на окружающей среде [7-8]. Ученые предложили использовать его в качестве источника энергии более 100 лет назад [4-8]. Таблица 1 иллюстрирует историю использования водородной энергии в авиационной промышленности.

Таблица 1. Хронология развития водорода в авиационной промышленности.

Вид воздушного аппарата	Иллюстрация	Примечание
Воздушный шар		Первый в мире воздушный шар, работающий на водороде, был запущен 5 июня 1783 года братьями Жаком Шарлем и Робертом. Это было первое изобретение воздуха, работающего на водороде.
Цеппелин		Главной особенностью конструкции дирижабля был устойчивый металлический каркас, обтянутый тканью и состоящий из продольной балки с перфоратором и нескольких отдельных газовых карманов. Концепция "Цеппелина" была впервые сформулирована в 1874 году. Она была запатентована в Германии в 1895 году и в США в 1899 году.
Реактивный двигатель Хейнкеля		К началу 1939 года двигатель был полностью разработан и использовался в одном из последних прототипов пикирующего бомбардировщика Heinkel He 118. Летные испытания проводились в обстановке полной секретности, взлеты и посадки осуществлялись с использованием пропеллерного двигателя и только ранним утром, до прибытия других рабочих. Испытания прошли успешно, но впоследствии турбина двигателя сгорела.
Saturn I S-IV, ракета.		На этом изображении ракеты-носителя Saturn I S-IV (вторая ступень) показаны компоненты ракеты-носителя. Приводимая в движение шестью двигателями RL-10, ступень S-IV имела тягу 90 000 фунтов. Разработка ступеней Saturn S-IV в Центре космических полетов имени Маршалла (MSFC) привела к ряду технологических достижений, которые были необходимы для успеха лунной программы Apollo, включая использование жидкого водорода в качестве ракетного топлива.
Ту-155 с водородным двигателем		Это был первый революционный самолет, работающий на водороде. Он был изготовлен в Советском Союзе. Он летал до распада Советского Союза, и в настоящее время его можно увидеть в аэропорту Раменское под Жуковским. Ту-156 должен был подняться в воздух в 1997 году, но был отменен из-за распада Советского Союза.
3 апреля 2008 года, Diamond DA20- Boeing		Самолет Diamond DA компании Boeing успешно совершил первый полет 3 апреля 2008 года, а его преемник, беспилотник Phantom Eye, работающий на водороде, был представлен в июле 2010 года. Rapid 200FC — это второй амбициозный проект, который был запущен Институтом инженерной термодинамики 29 сентября 2016 года и уже завершил шесть летных испытаний на водородном газе. четырехместный самолет поднялся в воздух на водородном топливе.
2021, Хайфайер		Недавние успешные испытания самолета на водородном двигателе типа Highflyer I с шестью креслами в задней части, а следующим проектом станет полет с 20 пассажирами.
Дрон Надир		Это беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с инновационным и настраиваемым водородным хвостовым блоком. Водород подается через газовый баллон под давлением. Конструкция с фиксированным крылом обеспечивает эффективный полет. 12 пропеллеров обеспечивают вертикальный взлет и посадку даже в движущемся аппарате.

Голубой водород является важной частью планов многих стран по декарбонизации, однако многие эксперты считают, что он может оказаться более вредным для окружающей среды, чем уголь и природный газ, которые он призван заменить. При производстве водорода такого типа используется процесс парового риформинга природного газа и метана. Эта технология позволяет получать бензин без выбросов, однако в процессе производства все равно выделяются парниковые газы. При производстве "зеленого" водорода используются возобновляемые источники энергии, такие как ветер или солнце, для электролиза воды, поэтому не требуется улавливать и хранить выбросы парниковых газов.

Список литературы

1. Иванов, А. В. Водородная энергетика в авиации: проблемы и перспективы / А. В. Иванов // Вестник Московского авиационного института. – 2016. – Т. 23, № 4. – С. 56-62.
2. Смирнов, В. А. Водородные технологии в авиации: состояние и перспективы / В. А. Смирнов, А. В. Петров // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2017. – № 2. – С. 32-37.
3. Кузнецов, В. В. Водородные топливные элементы в авиации: преимущества и ограничения / В. В. Кузнецов, А. А. Соколов // Авиационная промышленность. – 2018. – № 1. – С. 45-50.
4. Петров, А. В. Водородные топливные элементы в авиации: применение и экологические аспекты / А. В. Петров, В. А. Смирнов // Экология и промышленность России. – 2019. – Т. 23, № 2. – С. 34-40.
5. Лебедев, А. В. Водородные топливные элементы в авиации: технологии и перспективы / А. В. Лебедев, И. В. Соколов // Техника и технологии. – 2020. – № 3. – С. 78-84.
6. Соколов, И. В. Водородные топливные элементы в авиации: проблемы и решения / И. В. Соколов, В. В. Кузнецов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2021. – Т. 21, № 1. – С. 56-62.
7. Григорьев, С. А. Водородные технологии в авиации: перспективы и вызовы / С. А. Григорьев, А. В. Иванов // Энергетика и энергосбережение. – 2022. – № 1. – С. 23-29.
8. Смирнова, Е. В. Водородные топливные элементы в авиации: экономические аспекты и перспективы / Е. В. Смирнова, А. В. Лебедев // Экономика и управление. – 2023. – № 2. – С. 45-51.