Hidrogén a repülésben: most a hiperhanghoz
Csúcstechnológiás üzemanyag
A hidrogén szinte ideális üzemanyag, és a legtöbb motorhoz.
Például nagyon nagy fajlagos tolóerő-impulzust biztosít, vagyis a motor tolóerejének kiváló arányát a tömeges üzemanyag-fogyasztáshoz, sugárhajtóműveknél. Ez egyenes következménye a rekord energiaintenzitásnak és a hidrogén kis tömegének.
Fűtőértékét tekintve ez az üzemanyag háromszor magasabb, mint repülés kerozin. Az égéstérben a hidrogén is jól viselkedik - folyamatosan ég, és nem hoz létre káros lüktetéseket. A mérnökök bónusza az üzemanyag nagy hűtőteljesítménye, ami növeli a motorok teljesítményét.
És természetesen a hidrogén fő előnye a teljes "zöldítés" korában a környezetbarátsága - a kipufogógázban vízgőz van kis nitrogén-oxid-keverékkel.
A hidrogén azonban csak a motorban való égés szakaszában kíméli a természetet - ennek az anyagnak az előállítása jelentős energiaköltséggel jár. De erről majd később.
A folyékony oxigénnel párosított folyékony hidrogén üzemanyagként való felhasználásának ötletét Ciolkovszkij javasolta a múlt század elején.
A fent leírt összes előny mellett az univerzum legkönnyebb anyagának sok hátránya van.
Mindenekelőtt a gáz megszerzésének és cseppfolyósításának magas költségei - átlagosan egy kilogramm hidrogén 20-80-szor drágább, mint egy kilogramm legjobb repülési kerozin.
Nehézséget okoz az ilyen üzemanyag tárolásának technológiája, amelyet egyszerűen nem lehet a tartályba önteni. Még a legmodernebb hidrogéntartályokban sem kizárt a véletlen szivárgás. Ezért a hidrogénüzemanyag használatára vonatkozó korlátozások kezdetben tisztán technológiai jellegűek voltak.
A hidrogén üzemanyagként való felhasználásának gondolatát csak a háború után gondolták komolyan - a hidegháború és az űrverseny most érkezett meg. A kutatás szinte egyszerre kezdődött az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban, de idővel a technológiai kezdeményezés átszállt az amerikaiakra.
A hazai mérnökök szkepticizmusa elsősorban a különféle típusú hidrogénmotorok üzemeltetésének rendkívüli veszélyével függött össze. Az üzemanyagrendszer legkisebb nyomáscsökkenése a hidrogén és az oxigén "robbanásveszélyes gázzá" való kombinációjához vezetett. Tehát a hazai rakétamotorok hidrogénnel történő tesztelésekor legalább 1 méterrel távolabb kellett vinni az ellenőrzési pontokat.
A 2-3 tonna folyékony hidrogénnel feltöltött meghajtórendszerek pokolgépek voltak vészhelyzetekre.
Ennek ellenére az Egyesült Államoknak 1963 novemberében sikerült elindítania az Atlas-Centaur hordozórakétát, amely a világon elsőként rendelkezett oxigén-hidrogén felső fokozattal.
Később a Space Shuttle hasonló felépítésű menetmotorokat használt.
A Szovjetunióban az óriás Energia hordozórakétához kifejlesztett RD-0120 oxigén-hidrogén motor vált a leghíresebbé.
A cikk témájához közelebb áll a szovjet mérnökök másik világteljesítménye - a világ első kriogén üzemanyaggal működő Tu-155 repülőgépe.
15. április 1988-én került a levegőbe "hibrid" erőművekkel. A helyzet az, hogy a jobb oldalon található három motor közül az egyiket egy hidrogén NK-88 váltotta fel.
Értékelje a Tu-155 tervezésének összetettségét Valerij Solozobov emlékiratai szerint, aki részt vett egy egyedi gép építésében:
A Tu-155 fejlesztése az Energia-Buran program mellékterméke volt, amely egy hidrogénmotort is készített, igaz, rakétát.
A 80-as évek végén a Szovjetunió egy egész iparág létrehozását tervezte a hidrogén előállítására, ezért árának a polgári szállításban elfogadható szintre kellett volna csökkennie. Már csak meg kell találni azokat, akik hajlandók felszállni több tonna folyékony hidrogénnel a fedélzetén – még a legtapasztalatlanabb utasok is emlékeztek a hindenburgi tragédiára, amely hosszú évekre maga alá temette a léghajóipart.
Ennek eredményeként a Tu-155 öt repülést hajtott végre hidrogén konfigurációban, majd az NK-88 hajtóművét sűrített földgázra tervezték át. A kék üzemanyag fűtőértéke azonban már nem háromszorosa, hanem csak 15%-kal haladja meg a repülési kerozinét.
A tárolás során azonban bizonyos nehézségek maradnak - a tartályoknak folyamatosan mínusz 160 fokot kell tartaniuk.
A sűrített gáz azonban nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, a repülőgépek továbbra is kerozint használnak.
Most bizonyos reményeket fűznek a hiperszonikus gépekhez, amelyekben a hidrogén új módon nyílhat meg.
Ausztráliából hiperszonikussal
Legutolsó hír a hidrogénmotorok gyártása onnan jött, ahonnan nem számítottak – az ausztrál Hypersonix Launch Systems-től, amely alig több mint három éves.
Mindazonáltal a fejlesztők forradalmat kínálnak egy hiperszonikus műhold pályára állító repülőgép koncepciójának formájában. A Delta Velost négy Spartan hiperszonikus sugárhajtómű hajtja.
Érdekes módon az égéshez a hidrogénnek nincs szüksége oxigénellátásra a fedélzeten - a szükséges oxidálószert M = 1-nél nagyobb sebességgel vonják ki a légáramból. A Spartan motor speciálisan kialakított légcsatornája olyan mértékben összenyomja a beáramló levegőt, hogy az égéstérbe befecskendezett hidrogén azonnal meggyullad.
Ugyanakkor az égést szuperszonikus áramlási üzemmódban tartják fenn - ez a motor kulcsparamétere.
A hazai TsAGI szakemberei immár több éve foglalkoznak hasonlóval a hidrogén sugárhajtású motorokkal kapcsolatos munkájuk részeként.
A Hypersonic szerint nagyobb terveik vannak, elvégre a Spartan hajtóművet nagyjából 30 éve fejlesztik, sőt több mint egy tucat szuborbitális repülést is végrehajtottak. Nyilvánvalóan mások is foglalkoztak a motor finomhangolásával - emlékszünk vissza, hogy maga a cég mindössze három éves.
A hiperszonikus motor üzembe helyezéséhez felső fokozatra van szükség. Ezt a szerepet az oxigén-hidrogén Boomerang tölti be, amely az üzemanyag kifogyása után szétválik, széttárja szárnyait és az alapra siklik. Mindez Elon Musk legjobb hagyományai szerint.
Történet csak egy 50 kilogrammos műhold kedvéért indítják el a hiperszonikus Delta Velos hasában, amely több tíz kilométeres magasságban indul szabadrepülésbe, és a hordozó hazatér. A maximális sebességet a pálya csúcsán 5 és 7 Mach között tervezik.
Egyelőre ez csak elmélet, de az ausztrálok jövőre gyakorlati megvalósítást ígérnek.
Igaz, egyelőre csak miniatűr formában – a prototípus a Delta Velos kicsinyített példánya lesz, 2,8 méteres szárnyfesztávolsággal. A műholdak valódi hiperszonikus hordozójának fesztávja már 12 méter lesz.
Ha minden jól megy, 2024-ben el kell repülnie az első teljes értékű technológiai bemutatónak. Ugyanakkor a projektnek több fejlesztési lehetősége is lehet - ez egy katonai megvalósítás, és egy polgári hiperszonikus repülőgép, amely néhány óra alatt képes átkelni a Csendes-óceánon.
A hidrogén ilyen merész felhasználását mindenekelőtt a globális „zöld” stratégia magyarázza – a vezető országok átállnak egy anyag elektrolízises szintézisére.
A napelemeket és a szélgenerátorokat választották környezetbarát áramforrásként. A hidrogénnek egyfajta energiaakkumulátorrá kell válnia a szélmalmok kényszerleállási időszakaira, nyugalomban.
Ilyen tárolóhelyekből tervezik tankolni a hiperszonikus és rendkívül "zöld" drónok Hypersonix Launch Systems.
A hidrogén azonban továbbra is gazdaságilag hátrányos lesz.
Először is, a szélmalmokból és napelemekből származó villamos energia magas költsége a következő évtizedekben nem fogja felvenni a versenyt a hőerőművek, és még inkább az állami kerületi erőművek és atomerőművek termelésével.
Másodszor, a víz elektrolíziséből származó hidrogén előállításához drága lepárlókra van szükség - a tóból származó tiszta víz nem alkalmas ilyen csúcstechnológiára. És ez is plusz költség.
És ha a "zöld" hidrogén előállítása valóban tömegessé válik (hihetetlen költségek árán), akkor hova kell ártalmatlanítani az eredeti lepárlása után visszamaradt több százezer tonna sóoldatot?
És a hiperszonikus hidrogénsikló-projektek, amelyek őrülten fogyasztják az üzemanyagot, súlyosbítják-e a helyzetet?
Információk