1.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА»
(САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ГАЗ В МОТОРАХ
Монография
Одобрено редакционно-издательским советом федерального
государственного автономного образовательного учреждения
высшего образования «Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С.П. Королева»
САМАРА
Издательство Самарского университета
2021

2.
2
УДК 621.4
ББК 39.55
Г135
Авторы: В.В. Бирюк, С.В. Лукачев, Д.А. Угланов,
Ю.И. Цыбизов
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А.П. Шайкин ,
канд. техн. наук, доц., главный конструктор
АО «Металлист-Самара», Д.Г. Федорченко
Г135 Газ в моторах : монография / В.В. Бирюк, С.В. Лукачев,
Д.А. Угланов [и др.]. – Самара : Издательство Самарского
университета, 2021. – 296 с.: ил.
ISBN 978-5-7883-1626-0
Рассмотрены вопросы разработки и применения в авиационных двигателях
жидкого водородного топлива и сжиженного природного газа, с использованием
результатов стендовых и летных испытаний, математического моделирования и
анализа систем подготовки и хранения криогенного топлива. Приведена методика
экспериментальных исследований систем подачи топлива в камеру сгорания ГТД,
оценена экологическая безопасность и проведено нормирование эмиссии продук-
тов сгорания.
Книга предназначена для научных сотрудников, инженеров, аспирантов и
студентов как руководство по основам проектирования и исследования работы си-
ловых двигателей на криогенном топливе.
Результаты работы получены с использованием оборудования центра коллек-
тивного пользования «Межкафедральный учебно-производственный научный
центр Сам-технологий» при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект
№ 0777-2020-0019).
УДК 621.4
ББК 39.55
ISBN 978-5-7883-1626-0 © Самарский университет, 2021

3.
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.........................................................................................................10
1. Физико-химические свойства топлива................................................20
1.1. Общие сведения о видах топлива и горения ...................................20
1.2. Теплотехническая оценка элементов, входящих
в топливо....................................................................................................22
1.3. Теплотехнические характеристики топлива....................................24
1.4. Температура сгорания .......................................................................26
2. Топлива тепловых машин......................................................................28
2.1. Авиационные топлива .......................................................................28
2.2. Водород как топливо .........................................................................30
2.3. Создание специальной инфраструктуры
по транспортировке водорода..................................................................37
2.4. Водородная энергетика .....................................................................38
2.5. Сжиженный природный газ ..............................................................42
2.6. Авиация и криогенные топлива........................................................46
2.7. Опыт разработки авиационного двигателя на криогенном
топливе.......................................................................................................54
3. Наземные газотурбинные установки ...................................................69
3.1. Газотурбинный двигатель на железнодорожном транспорте ........73
3.2. Сжиженный водород и природный газ в перспективных
газотурбинных установках.......................................................................81
3.3. Синтез-газ в ГТУ................................................................................86
4. Топлива в автомобильном транспорте................................................91
4.1. Водород в качестве топлива для ДВС..............................................94
4.2. Генератор синтез-газа для ДВС........................................................98
5. Использование и сжигание других альтернативных
видов топлива.............................................................................................102
5.1. Низкокалорийные виды моторных топлив....................................103
5.2. Ядерное топливо в авиации ............................................................110
5.3. Гелий-3 в качестве альтернативного топлива ...............................115

4.
4
6. Экологическая безопасность. Общие представления .....................117
6.1. Токсичные компоненты продуктов сгорания углеводородных
топлив ......................................................................................................119
6.2. Нормирование эмиссии продуктов сгорания ................................127
6.3. Разработка конкурентоспособной технологии
энергоэффективного и экологически чистого
сжигания топлив .....................................................................................148
7. Камера сгорания двигателя НК-88, работающая на водороде......151
7.1. Двухтопливная система сгорания водород-керосин.....................171
7.2. Общее представление о камере сгорания с низким уровнем
эмиссии NOx для криогенных топлив ...................................................177
8. Малоэмиссионная камера сгорания для сжигания
природного газа..........................................................................................188
8.1. Авиационная камера сгорания........................................................188
8.2. Малоэмиссионная камера сгорания наземных ГТУ .....................198
9. Общие сведения о системах хранения и заправки жидкими
криогенными продуктами в авиации и космонавтике.......................215
9.1. Авиационный наземный криогенный комплекс ...........................215
9.2. Хранение криогенного топлива на борту самолета ......................220
9.3. Резервуары для хранения сжиженного газа на земле ...................221
9.4. Система заправки жидким кислородом ракеты-носителя Н-1.....223
9.5. Система заправки и хранения водородной системы для ракеты-
носителя Н-1............................................................................................226
10. Применение емкости с криогенной заправкой в наземных
и бортовых системах .................................................................................228
10.1. Применение емкости с криогенной заправкой в составе
системы топливоподачи судовой энергетической установки.............232
10.2. Применение емкости с криогенной заправкой в составе
системы испытательного стенда газотурбинной установки,
работающей на СПГ ...............................................................................239
10.3. Применение емкости с криогенной заправкой в составе
системы топливоподачи ГПУ ................................................................249

5.
5
10.4. Криогенный насос-газификатор с ЕКЗ и энергоустановкой для
получения дополнительной энергии .....................................................256
10.5. Криогенный насос-газификатор в системах заправки
ракет-носителей ......................................................................................259
10.6. Криогенная система для охлаждения горючего на стартовых
комплексах ракеты на основе ЕКЗ ........................................................265
10.7. Энергоэффективный комплекс СПГ с системой хранения
на основе ЕКЗ..........................................................................................268
Заключение .................................................................................................284
Библиографический список.....................................................................287

6.
6
Книга посвящается нашему учителю,
генеральному конструктору авиационных и ракетных двигателей,
академику, новатору, Ученому, Гражданину и Человеку,
Николаю Дмитриевичу Кузнецову
ОТ АВТОРОВ
Николай Дмитриевич Кузнецов (23.06.1911-31.07.1995)
доктор технических наук, профессор,
генеральный конструктор
НПО «Труд» – ОАО «СНТК имени Н.Д. Кузнецова», академик РАН,
«Почетный доктор СГАУ», дважды Герой Социалистического Труда,
лауреат Ленинской и Государственной премий,
Почетный гражданин Самары
(Фотография из книги: Даты. События. Люди (1946-2006 г.г.).
Самара: «Самарское книжное издательство», 2006. – 136 с.)
Награжден пятью орденами Ленина, орденом Октябрьской
Революции, орденом Красного Знамени, орденом Отечественной

7.
7
войны 1-й степени, двумя орденами Красной Звезды и пятнадца-
тью медалями.
Н.Д. Кузнецов провел огромную работу по созданию двига-
телей семейства НК для авиационной и ракетной техники. При
этом отмечается и личное мужество Николая Дмитриевича:
«Именно он своим решением сохранил от уничтожения десятки
новеньких НК (НК-33, НК-43), когда советская лунная про-
грамма в 1974 г. была закрыта. И за каждым прорывом в неизве-
данные области науки и техники стоит поступок Генерала. Ибо
нравственная составляющая всегда была в основе технических
решений, которые рождались в Куйбышеве – Самаре. Может
быть именно поэтому все, что сделано в коллективе Н.Д. Кузне-
цова, отличает удивительная жизнестойкость, если можно так
сказать о неодушевленной технике. А потому нравственные
уроки Генерала сегодня не менее важны, чем те научные и тех-
нические открытия, которые сделаны под его руководством»
[цит. по: Цибизов Ю.И. «Будущее в прошлом. Конструктор Ни-
колай Дмитриевич Кузнецов и его школа», 2020].
В издании, приуроченном к историко-документальной вы-
ставке 2009 г. «Люди пытливой мысли», организованной филиалом
Российского государственного архива научно-технической доку-
ментации в г. Самаре, подчеркивается: «Трудно представить себе
Самару без академика Н.Д. Кузнецова, вся жизнь и талант которого
с 1949 г. были отданы моторному заводу, ставшему сегодня круп-
нейшим научно-техническим комплексом, носящим его имя».
Необходимо отметить также, что в 1992 году известный амери-
канский журнал Aviation Week опубликовал список лауреатов пре-
стижной премии Aerospase Laurels, удостоенных за значительный
вклад в развитие мировой аэрокосмической отрасли. По направле-
нию аэронавтика/силовые установки победителем назван Н.Д. Куз-
нецов «за руководство, позволившее конструкторскому бюро
оставаться в авангарде в области проектирования и доводки авиа-
ционных силовых установок».

8.
8
Бирюк Владимир Васильевич
доктор технических наук, профессор ка-
федры теплотехники и тепловых дви-
гателей федерального государствен-
ного автономного образовательного
учреждения высшего образования
«Самарский национальный исследо-
вательский университет имени акаде-
мика С.П. Королева», Почетный ра-
ботник высшего профессионального образования РФ, Заслуженный
авиадвигателестроитель АССАД, член-корреспондент Российской
академии космонавтики имени К.Э. Циолковского
Лукачев Сергей Викторович
доктор технических наук, профессор, заведу-
ющий кафедрой теплотехники и тепловых
двигателей федерального государственного
автономного образовательного учреждения
высшего образования «Самарский нацио-
нальный исследовательский университет
имени академика С.П. Королева», академик
Российской академии космонавтики
имени К.Э. Циолковского, Заслуженный работник высшей школы РФ
Цыбизов Юрий Ильич
доктор технических наук, профессор кафедры
теплотехники и тепловых двигателей феде-
рального государственного автономного
образовательного учреждения высшего
образования «Самарский национальный ис-
следовательский университет имени акаде-
мика С.П. Королева», лауреат Губернской
премии в области науки и техники 1999 г.,

9.
9
премии АССАД имени Н.Д. Кузнецова «За актуальные и ориги-
нальные конструкторские решения с применением новых техниче-
ских процессов, научные разработки, активное внедрение в серий-
ное производство новых двигателей и высокую эксплуатационную
надежность» в 2001 г., премии Президента РФ в 2004 г., академик
Российской академии транспорта
Угланов Дмитрий Александрович
кандидат технических наук, доцент кафедры теп-
лотехники и тепловых двигателей федераль-
ного государственного автономного образова-
тельного учреждения высшего образования
«Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С.П. Королева»,
заместитель директора института двигателей
энергетических установок, заведующий лабо-
раторией криогенной техники, лауреат Губернской премии в обла-
сти науки и техники за 2020 год

10.
10
ВВЕДЕНИЕ
Особая роль в конструктивном облике любой тепловой ма-
шины отводится вопросам горения и решению возникающих про-
блем и задач организации рабочего процесса горения при использо-
вании различных видов топлив. Важнейшая фундаментальная
проблема современной физики горения, имеющая непосредствен-
ное отношение к перспективам развития авиадвигателестроения,
промышленных энергоустановок и транспорта – организация устой-
чивого горения с обеспечением максимально высокой полноты и тер-
модинамической эффективности сгорания при минимально низком
выходе вредных веществ (прежде всего, оксидов азота, углерода и
сажи), т.е. обеспечение экологической безопасности.
Горение – неравновесное физико-химическое явление, основу
которого определяют процессы окисления в условиях, осложнен-
ных процессами массо- и теплообмена, молекулярного и турбулент-
ного переноса вещества и энергии, тепловыделение и конвективные
течения. Из-за высоких температур развиваются такие сопутствую-
щие процессы как излучение, а также физико-химические процессы
взаимодействия продуктов сгорания с поверхностью. Вследствие
сильной температурной чувствительности химических превраще-
ний это сложное явление имеет концентрационные пределы, вне ко-
торых существование устойчивого процесса горения невозможно.
В окрестности этих пределов горения проявляется неустойчивость
процесса, вызываемая действием гидродинамических, акустиче-
ских, термоакустических, диффузионно-тепловых и других меха-
низмов. Основная особенность такого процесса заключается в том,
что одно из наиболее перспективных решений фундаментальной

11.
11
проблемы обеспечения экологической безопасности относится к го-
могенному горению на «бедном» пределе, т.е. к горению смесей с
концентрацией, значительно меньшей стехиометрической. При
успешном решении указанной проблемы стабилизации горения на
«бедном» пределе можно ожидать получение эффективного горе-
ния с обеспечением требуемого в соответствии с действующими
нормами уровня эмиссии вредных веществ продуктов сгорания уг-
леводородных и альтернативных топлив [1].
Сегодня нефть – основной и наиболее востребованный энерго-
ресурс. Однако ее запасы катастрофически заканчиваются, и уже
понятно, что наступает закат нефтяной эры. Сейчас абсолютно
ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов
нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рента-
бельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопри-
чиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие,
накладывает определенные ограничения на развитие экономик от-
дельных стран и мировой экономики в целом. Указанное выше сни-
жение добычи нефти и в то же время постоянный рост ее использо-
вания (рисунок 1), а также топливный кризис 70-х годов прошлого
столетия вызвали необходимость изучения возможности примене-
ния альтернативных видов топлива во всех отраслях промышленно-
сти, включая транспорт (автомобильный, железнодорожный, реч-
ной и авиационный).
Рисунок 1 – Снижение добычи и рост потребления нефти

12.
12
Этому в значительной мере способствуют задачи сегодняшнего
дня – обеспечение экологической безопасности и развитие авиации
и двигателестроения при отсутствии роста использования нефтя-
ного сырья, при переработке которого выход авиационных топлив
(керосинов) составляет лишь 5%. Наступивший ХХI век, обозна-
чивший окончание техногенной диктатуры человека над природой
и провозгласивший начало диалога согласия человека и природы,
внес существенные коррективы во взгляде на будущее мировой
энергетики и транспорта, включая авиацию. Не вызывает сомнение,
что важную роль в экономике будут играть природный газ, исполь-
зование в качестве топлива водорода или его добавок и различные
газохимические процессы, замещающие используемое нефтяное
сырье. В последнее время большое количество зарубежных научно-
исследовательских центров моторостроительных фирм проводят
исследования, направленные на экономию топлива и замену тради-
ционных жидких углеводородных топлив новыми видами.
Известно, что 80% механической энергии, которую использует
в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями внут-
реннего сгорания и основным потребителем углеводородного топ-
лива является автотранспорт. Однако по данным статистики по-
требления топлива в США отмечено, что в недалеком будущем
авиация сравняется с автотранспортом.
В первом десятилетии ХХI века более интенсивно продолжа-
ются поисковые исследования альтернативных видов топлива, в
том числе применительно к авиации [2, 3]. В качестве наиболее пер-
спективной замены рассматривается применение жидкого водо-
рода. Сравнительная структура энергоресурсов в России и в мире
на данный период времени такова:
 атомная энергия в России составляет 4% (в мире – 7%);
 гидро, геотермальная, солнечная и ветровая энергия – 3%
(3%);
 нефтяное сырье составляет 23% (40%);

13.
13
 уголь 19% (27%);
 газ 52% (23%).
Отсюда следует, что нефтяное авиационное топливо сегодняш-
него дня (ТС-1, РТ, JetA-1) в ближайшем будущем будет заменено
на альтернативные синтетические авиатоплива (в перспективе на
жидкий водород) и, что особенно важно для России – на синтетиче-
ские авиатоплива из природного газа. Исследования применения
альтернативных видов топлива из природного газа за рубежом по-
казали, что их применение обусловливает:
 повышенный ресурс ГТД;
 снижение коксоотложений;
 снижение эмиссии токсичных веществ в продуктах сгорания;
 снижение дымности выхлопа;
 повышение надежности работы топливной системы в усло-
виях низких температур.
В работе [4] выполнен анализ применения сжиженных водо-
рода и природного газа (СПГ) как топлив в перспективных газотур-
бинных установках. Будущее газотурбинных двигателей – это более
высокие температуры и степени сжатия для повышения тепловой
эффективности цикла. При этом вновь проектируемые камеры сгора-
ния и турбины для перспективных ГТД и ГТУ должны работать с
увеличением температуры газов на 200…300 К и долговечности эле-
ментов турбины и жаровой трубы в 3…4 раза при 2-кратном сниже-
нии доли воздуха на охлаждение. В связи с этим предлагается прин-
ципиально новая схема охлаждения ГТУ, где в качестве хладагента
выступает не воздух из компрессора, а сжиженный водород или
СПГ, что позволит без применения принципиально новых материа-
лов повысить параметры рабочего процесса, мощность и КПД в
перспективных криогенных авиадвигателях и наземных ГТУ.
Прогнозируется значительное улучшение эксплуатационных и
экологических показателей. Многочисленными исследованиями

14.
14
установлено, что существенную роль в процессе сжигания топлива
играют добавки водорода. Показано, что при использовании при-
родного газа с добавками водорода (газокомпозитное топливо) в ка-
честве топлива для ДВС можно по-новому организовать рабочий
процесс сжигания, повысив эффективность и снизив токсичность.
При этом основной эффект достигается на режиме глубокого дрос-
селирования (холостой ход), составляющий до 70% работы в го-
родском цикле эксплуатации автомобиля. Такой эффект сгорания
определяется, в первую очередь, законом подвода теплоты, т.е. ха-
рактеристикой тепловыделения. Определена оптимальная добавка
водорода к природному газу, составляющая 5–7% на низких режи-
мах и около 7–12% на более высоких режимах.
Уменьшение негативного действия транспорта на окружаю-
щую среду является одной из целей «Транспортной стратегии Рос-
сии до 2030 г.», предусматривающей, в частности, обеспечение пе-
ревода транспортных средств на «экологически чистые» виды
топлива. К наиболее перспективным альтернативным видам топ-
лива относятся сжиженный природный газ (СПГ) и сжиженный во-
дород. Это криогенные виды топлива с температурой ниже 120 К
(−153 °С).
К перечню достижений, признанных на мировом уровне, сле-
дует отнести новое направление (новый вектор) дальнейшего раз-
вития газотурбинной техники – задел для XXI века – исследование
возможности использования криогенного топлива (водород, сжи-
женный природный газ) в авиационных ГТД и наземных ГТУ [2].
В 1980–1990-е годы под руководством Н.Д. Кузнецова впервые в
отечественном авиадвигателестроении было проведено системное
теоретическое и экспериментальное исследование схем и характе-
ристик ГТД, использующих в качестве топлива жидкий водород и
СПГ [5]. Этот решительный шаг в будущее сделан именно в России.
Нигде в мире не было и по сей день нет летательных аппаратов, по-

15.
15
добных нашим ТУ-155 и Ту-156 с двигателями НК-88 и НК-89. Со-
гласно выссказыванию известного американского авиационного
инженера Карла Бревера: «Русские совершили в авиации дело, со-
размерное полету первого спутника Земли!». Здесь же необходимо
отметить и результаты разработка атомной силовой установки в со-
ставе летающей лаборатории на базе самолета Ту-95.
Следует также особо отметить, что наступил этап глубокого
изучения перспектив использования ГТД и на железнодорожном
транспорте [6]. Идея использования газотурбинных двигателей в
железнодорожном транспорте (локомотивов с газотурбинным дви-
гателем (ГТД) – газотурбовозов) появилась еще в середине ХХ века.
Главным преимуществом газотурбинных двигателей является воз-
можность развивать большую единичную (секционную) мощность
при относительно небольших размерах и массе. Преимуществом яв-
ляется также возможность работы на более дешевом топливе и су-
щественно меньший (в 5–7 раз) расход смазочного масла, а кроме
того, значительно более низкий уровень эмиссии вредных веществ
в продуктах сгорания по сравнению с тепловозами, больший ресурс
и простота эксплуатации в холодное время года.
Первый в мире газотурбовоз был построен в 1941 г. Швейцар-
ской фирмой Brown – Boveri (№ 1101). ГТД локомотива был одно-
вальным, регенеративной схемы с температурой газов перед турби-
ной 600О
С и мощностью на валу 2200 л.с. (~1600кВт). Передача –
электрическая постоянного тока.
В 1940–1950-е годы в ряде стран, в том числе в Англии, США,
ФРГ, ЧССР и СССР, были сделаны достаточно успешные попытки
создания газотурбовозов.
Решение этих вопросов уже перешло в практическую плос-
кость испытаний и эксплуатации газотурбовозов. В начале 1955 г. в
США на участках Огден – Омаха и Шайен – Канзас-Сити, которые
отличаются тяжелым продольным профилем пути, эксплуатирова-
лось 25 газотурбовозов, построенных фирмами «Дженерал Элект-

16.
16
рик» и АЛКо. В конце 2002 года опробован газотурбовоз для поез-
дов со скоростью движения до 240 км/ч, оснащенный ГТД фирмы
Pratt and Whitney мощностью 3730 кВт. По сравнению с последними
моделями американских тепловозов с дизелями он имеет более вы-
сокую скорость, на 20% меньшую массу конструкции, в 2 раза боль-
шее ускорение, меньший шум и на 50% меньший выброс вредных
веществ. Рассматриваются особенности разработки газотурбинного
двигателя для локомотива, когда в качестве топлива используется
сжиженный природный газ (СПГ), который, по мнению многих спе-
циалистов, является стратегически верным выбором нового энерго-
носителя, в том числе и как кардинальное средство улучшения эко-
логических характеристик для источников энергии различного
назначения. Главное здесь заключается в огромных запасах природ-
ного газа, что обеспечит не дефицитность нового топлива в имею-
щейся в нашей стране и за рубежом сети магистральных газопрово-
дов, а также в освоенной технологии сжижения и хранения
природного газа. Очевидно, что при подготовке перехода на сжи-
женный природный газ, являющийся криогенным видом топлива,
необходимо решить весьма сложную задачу создания новой стаци-
онарной и специальной топливной инфраструктуры.
В настоящее время большой интерес представляют и вопросы
использования перспективных видов топлив для гиперзвуковых ле-
тательных аппаратов (ГЛА). Так, например, в работе [7] выполнен
анализ использования криогенных и углеводородных топлив и по-
казано, что ни один из этих видов топлив в полной мере не удовле-
творяет современным требованиям, предъявляемым к ГЛА. Требу-
ется разработка либо нового синтетического углеводородного
горючего с улучшенными эксплуатационными свойствами, либо
модернизация существующих топлив типа керосинов с использова-
нием соответствующих присадок и добавок.
Принимая во внимание отмеченные тенденции развития миро-
вой энергетики и транспорта, распоряжением Правительства Рос-
сии от 28.08.03 г. № 1234р. утверждена концепция Энергетической

17.
17
стратегии России, в которой перевод значительной части транс-
портных средств на газовое топливо – одно из важнейших направ-
лений. Кроме того это направление соответствует Перечню крити-
ческих технологий, утвержденному Распоряжением Правительства
России от 25.08.08 г. № 1243р. (Технологии создания энергоэффек-
тивных двигателей и движителей для транспортных систем), а
распоряжением Правительства России от 17.11.2008 г. № 1662р
утверждена Концепция долгосрочного социально-экономического
развития страны до 2020 года, которая предусматривает стимули-
рование использования природного газа в качестве моторного топ-
лива и развитие переработки газа в жидкое моторное топливо.
Накопленный человечеством опыт показывает, что развитие
техники и новых технологий возможно только на достаточно пол-
ном заделе собственных разработок.
«Одним из самых ярких примеров собственных разработок яв-
ляются научно-исследовательские и опытно-конструкторские ра-
боты по оценке возможностей применения в авиации альтернатив-
ного топлива – жидкого водорода и сжиженного природного газа. В
содружестве с большим количеством смежников удалось впервые в
мире провести натурные эксперименты и летные испытания по
оценке возможных путей развития авиации на альтернативных топ-
ливах. Разработанные в результате конструктивные решения, техно-
логии работ, применяемые системы обеспечения безопасности и за-
щиты не имеют аналогов до настоящего времени» – так определили
линию сохранения и развития новых наукоемких направлений ав-
торы книги [8], работники ОКБ А.Н. Туполева и ОКБ Н.Д. Кузнецова
на примере истории создания самолета Ту-155 и двигателя НК-88.
В связи с представленным выше, большое значение приобре-
тают результаты обобщения уже имеющегося опыта отработки и
конструирования авиационных ГТД и наземных ГТУ, и организа-
ции рабочего процесса в камере сгорания, работающей на нетради-
ционных видах топлива. Значимость подобных обобщений наибо-

18.
18
лее емко и удачно охарактеризовал эксперт Международной орга-
низации гражданской авиации А.Д. Миронов в предисловии указан-
ной выше книги [8]: «Есть знания, которые могут быть переданы
только теми, кто непосредственно работал по тому или иному
направлению, когда каждая подробность имеет особое значение, а
новое решение можно найти только в том случае, если хорошо вла-
деешь пройденным». В качестве обоснования сказанному уместно
привести также высказывание Н.Д. Кузнецова: «В основе прогресса
лежат не столько перемены, сколько традиции. Те, кто не способен
запомнить прошлое, обречены повторять его».
И еще об одном напутствии Генерального конструктора акаде-
мика Н.Д. Кузнецова, что определило желание обобщить и опубли-
ковать представленные ниже результаты работы ОКБ по криоген-
ной технике, проведенной под его руководством.
Незадолго до ухода Николая Дмитриевича на пенсию (начало
1995 г.) в квартире моих родителей в субботний день раздался зво-
нок с просьбой пригласить меня (Цыбизов Ю.И.) к телефону. Зво-
нок был из больницы от Генерала (как любовно его называли на
предприятии). После нескольких слов о перестройке, о текущем мо-
менте, когда для выживания предприятия выгоднее наладить вы-
пуск сковородок, чем создавать новую наукоемкую продукцию он
перешел к сути разговора. Суть заключалась в том, что на фирме
имеется богатый опыт и обобщение результатов использования в
авиации криогенного топлива. Он надеется, что этот опыт в скором
времени будет востребован. В связи с этим он просит меня вместе с
Г.М. Гореловым (начальник перспективного отдела ОКБ), после
выписки его из больницы, обсудить более подробно возможный
план действий. С его стороны будут представлены имена деятелей
в области криогеники, с которыми надо будет наладить тесный кон-
такт. Но, увы, эта встреча так и не состоялась.
Помня этот последний наказ, мы обобщили результаты отра-
ботки рабочего процесса горения при использовании в качестве

19.
19
топлива жидкого водорода и сжиженного природного газа. Это кол-
лективный труд ветеранов отдела горения ОКБ и ученых СГАУ.
Цибизов Ю.И. вспоминал: «В марте 2018 г. в Москве на ВДНХ
состоялся Международный форум Двигателестроения, где к 30-ле-
тию первого полета Ту-155 с двигателем НК-88 была посвящена ра-
бота секции: «Криогенные топлива для летательных аппаратов бу-
дущего». В соответствии с приглашением я подготовил доклад.
Однако из-за финансовых трудностей выступить на форуме с докла-
дом мне не удалось. Но, получив письмо от начальника отдела ка-
мер сгорания ЦИАМ С.А. Волкова следующего содержания: «Доб-
рый день, Юрий Ильич. Очень жаль, что Вы не смогли принять
участие в секции по камерам сгорания НТКД-2018. На пленарном
заседании Президиума АССАД Чуйко В.М. напомнил, что в апреле
исполняется 30 лет первому полету ТУ-155 на водороде. От меня
требуют отчет о работе секции в АССАД, особое внимание уделя-
ется Вашему заявленному докладу. Можете прислать мне дополни-
тельные материалы Вашего доклада?», я выслал запрашиваемый
материал. В сборнике тезисов докладов Научно-технического кон-
гресса по двигателестроению (НТКД-2018) опубликована статья:
«Камеры сгорания авиационных ГТД на криогенном топливе», ис-
пользуемая ниже».
Общепризнано, что в вопросах достижения надежности и эко-
логической безопасности наиболее приемлемым является опыт от-
работки малоэмиссионного горения по результатам эксплуатации
авиационных и наземных двигателей семейства НК, а обобщение
этого опыта является базовой основой модернизации конструкций
малоэмиссионных камер сгорания, разрабатываемых в том числе
согласно программе импортозамещения и импортонезависимости
на предприятиях Самарского региона.

20.
20
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ТОПЛИВА
1.1. Общие сведения о видах топлива и горения
Под топливом понимают горючие вещества, которые экономи-
чески целесообразно использовать для получения значительных ко-
личеств теплоты. В связи с намечаемым широким использованием
альтернативных видов топлив и, в первую очередь, в газотурбостро-
ении необходимо представить систематизированные сведения о фи-
зико-химических свойствах используемых традиционных видах
топлив.
Органическое топливо по происхождению подразделяют на:
 естественное (нефть, газ, торф, угли, сланцы, антрациты);
 искусственное (кокс; коксовый, генераторный и нефтяной
газы; продукты переработки нефти: мазут, керосин, дизель-
ное топливо, бензин и т.д.).
По агрегатному состоянию при обычных условиях топлива раз-
деляют на три вида (рисунок 2):
Рисунок 2 – Агрегатные состояния топлив

21.
21
Различные топлива при сжигании выделяют значительные ко-
личества тепла и используются как источники получения энергии.
Большинство топлив – это углеродистые вещества от почти чистого
углерода до сложных органических соединений. Свойства топлива
как горючего материала определяются его составом. Любое топ-
ливо состоит из:
 горючей части (углерод (С), водород (Н) и сера горючая (ле-
тучая) SA);
 негорючей частей (кислород (0), азот (N), минеральные ве-
щества (А) и влага (W)).
Эти элементы в процессе горения образуют сложные химиче-
ские соединения (CH4, CO2, H2S и др.).
Жидкое и твердое топливо принято характеризовать элемент-
ным составом, при этом условно считают, что топливо состоит из
перечисленных элементов, находящихся в свободном состоянии в
виде механической смеси.
Авиационные топлива создаются из расчета эксплуатации при
температурах вплоть до –50°С. Это требование означает, что верх-
ний предел температуры кипения снижается и должен находиться в
диапазоне 250…300 °С. Тем самым резко сокращается число нефтя-
ных фракций, которые могут быть включены в такое топливо. По-
вышенная вязкость рассматриваемого топлива приведет к увеличе-
нию размера капель и в ряде случаев к изменению распределения
их по размерам в факеле распыления, что может сказаться на харак-
теристиках стабилизации пламени, воспламенения, запуска и по-
вторного запуска.
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и не-
горючих газов. В горючую часть могут входить окись углерода
(СО), водород (Н2), предельные углеводороды (CnH2n+2), непре-
дельные углеводороды (CnH2n) и иногда сероводород (H2S). В не-
горючую часть могут входить кислород, азот, двуокись углерода и
различные примеси (водяные пары, смолы, пыль и т.п.).

22.
22
Природный газ характеризуется высоким содержанием метана
(СH4), а также небольшого количества других углеводородов: этана
(С2H6), пропана (С3H8), бутана (С4H10), этилена (С2H4) и пропилена
(С3H6). В искусственных газах содержание горючих составляющих
(водорода и окиси углерода) достигает 25…45%, в балласте преоб-
ладают азот и углекислота – 55…75%. Газ, извлекаемый из недр, без
всякой последующей переработки имеет более низкую стоимость
по сравнению с продуктами переработки нефти. Углеводородные
газообразные топлива могут быть сжатыми и сжиженные. В каче-
стве сжатого газа используют природный газ (95% метана СН4).
Сжиженные газы являются продуктами переработки попутных га-
зов и газов газоконденсатных месторождений и в основном содер-
жат бутанпропановые и бутиленпропиленовые смеси, находящиеся
при нормальной температуре в жидком состоянии.
Основным преимуществом газообразных топлив является их
чистота, более легкий запуск в холодное время, высокие экологиче-
ские качества.
Газообразное топливо принято характеризовать составом су-
хой газообразной части в % по объему, и выражают уравнением:
CH4 + H2 + CO + H2S + CmHn + O2 + N2 + CO2 = 100,
где СН4, Н2 и т.д. – содержание соответствующих газов в % по объему,
взятому при нормальных физических условиях (15о
С и 101325 Па).
1.2. Теплотехническая оценка элементов,
входящих в топливо
Углерод является основным горючим элементом топлива. Его
содержание в горючей массе составляет: в древесине и торфе
50…65%, в бурых углях 67…72%, каменных углях 76…90% и в ан-
трацитах 92…94%, т.е. с увеличением геологического возраста

23.
23
твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав
жидких нефтяных топлив является достаточно стабильным и содер-
жание в них доли углерода на горючую массу колеблется в узких
пределах 86…87%. В газообразном топливе содержание углерода,
например, в метане составляет 75% массовых долей. Углерод харак-
теризуется высоким удельным тепловыделением. При полном сго-
рании 1 кг углерода выделяется 33600 кДж теплоты, т.е. углерод
определяет тепловую ценность топлива.
Водород – второй важнейший горючий элемент топлива. Доля
его содержания на горючую массу, например, в древесине и торфе –
6,0…6,5%, в бурых углях около 5,0%, в каменных углях 4,0…5,5%,
в антрацитах 1,5…2,5%. В жидких нефтяных топливах содержание
водорода значительно выше и составляет от 10 до 12%. В метане
содержание водорода – 25% массовых долей.
Тепловая ценность водорода почти в четыре раза выше тепло-
вой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и кон-
денсации продуктов сгорания выделяется 141500 кДж тепла, без
учета конденсации водяных паров 119000 кДж.
Сера является третьим, весьма нежелательным, горючим эле-
ментом топлива. Наличие последнего в газообразных продуктах
сгорания при определенных условиях вызывает сернокислотную,
т.е. низкотемпературную, коррозию металла оборудования.
Кроме того, продукты сгорания серы вызывают загрязнение ат-
мосферы. Поэтому сера является вредной примесью, снижающей
теплотехническую цепкость топлива.
Кислород и азот являются нежелательными элементами топ-
лива. Наличие их в топливе снижает содержание горючих элемен-
тов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топ-
лива, обесценивает его. Азот в топливе способствует образованию
в газообразных продуктах сгорания окислов азота, обладающих вы-
сокой токсичностью, значительно превышающей токсичность
окислов серы.

24.
24
Кислород и азот принято называть внутренним балластом топ-
лива.
Влага относится к внешнему балласту топлива. Наличие ее (так
же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части
топлива. Это снижает тепловую ценность топлива, а также увели-
чивает расходы на его транспортировку. Наличие влаги приводит к
понижению температурного уровня в зоне горения.
1.3. Теплотехнические характеристики топлива
Теплота сгорания (Q), ранее называвшаяся теплотворной спо-
собностью, является важнейшей характеристикой, определяющей
тепловую ценность любого топлива. Под теплотой сгорания пони-
мают количество тепла в кДж, которое выделяет при полном сгора-
нии 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 м3
газообразного топ-
лива при нормальных физических условиях. Различают высшую
(Qв) и низшую (Qн) теплоту сгорания. В газообразных продуктах
сгорания любого топлива содержатся водяные пары, образующиеся
в результате сгорания водорода и испарения влаги топлива. Если
продукты сгорания охладить до конденсации водяных паров, в них
содержащихся, то освободится тепло, затраченное на парообразова-
ние влаги.
Под высшей теплотой сгорания понимают все тепло, выделив-
шееся при сгорании единицы топлива, включая тепло конденсации
водяных паров.
Под низшей теплотой сгорания понимают теплоту сгорания,
которая не учитывает тепло конденсации водяных паров, содержа-
щихся в продуктах сгорания топлива.
В промышленных установках, сжигающих топливо, в тепло-
вых двигателях различного типа газообразные продукты сгорания
выбрасываются в атмосферу при таких, как правило, температурах,

25.
25
при которых конденсации водяных паров не происходит и, следо-
вательно, теплота их конденсации не высвобождается для исполь-
зования. Теплотехнические расчеты в подобных случаях произво-
дят по низшей теплоте сгорания.
Теплоты сгорания индивидуальных веществ представлены в
таблицах физико-химических величин. Пример приведен ниже
(таблица 1).
Таблица 1 – Удельная теплота сгорания веществ
Горючее
Теплота сгорания,
Дж/кг
Тепловой
эквивалент, Э
Бытовой газ 13…25·106
0,45…0,8
Каменный уголь 22·106
… 29,3·106
0,75…1
Условное топливо 29,3·106
(7000 ккал/кг) 1
Мазут 39,2·106
1,34
Нефть 41·106
1,4
Керосин 40,8·106
1,39
Дизельное топливо 42.7·106
1,46
Бензин 42·106
… 44·106
1,34…1,5
Пропан 47,54·106
1,62
Этилен 48·106
1,64
Метан 50,1·106
1,71
Водород 120,9·106
4,13
Для сравнения тепловой ценности различных топлив пользу-
ются понятием условного топлива, под которым понимают топ-
ливо, теплота сгорания которого равна 29350 кДж/кг (7000 ккал/кг).
Этой величиной пользуются при суммировании различных топлив-
ных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива и при прове-
дении технико-экономических расчетов.
Для пересчета данного натурального топлива с теплотой сгора-
ния в условное топливо служит безразмерный коэффициент Э,
называемый тепловым эквивалентом данного топлива. Его вели-
чина определяется как:

26.
26
Э =
𝑄Н
𝑝
29350
.
Среднее значение теплоты сгорания различных топлив, как
правило, приводится в таблицах физико-химических характеристик
топлив.
Горение и механизм горения – это сложный физико-химиче-
ский и газодинамический процесс взаимодействия топлива с окис-
лителем, протекающий при высоких температурах и сопровождаю-
щийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя
чаще всего используется кислород атмосферного воздуха.
Для обеспечения непрерывного и устойчивого горения топлива
необходимы физические условия, важнейшими среди которых
являются: бесперебойный подвод топлива и окислителя в зону го-
рения; непрерывное и интенсивное их перемешивание; подогрев
топлива до температуры воспламенения; подогрев воздуха; непре-
рывный отвод продуктов сгорания из зоны горения и др.
Основу процесса горения составляет химическая (экзотермиче-
ская) реакция с выделением тепла. Однако сама по себе экзотерми-
ческая реакция еще не есть горение. Для процесса горения важным
является не только выделение тепла в результате химической реак-
ции, но и обратное влияние выделяемого тепла на ход самой реак-
ции, что служит в качестве исходного пункта теории горения, ос-
новы которой заложены Семеновым Н.Н., Зельдовичем Я.Б.,
Франк-Каменецким Д.А. и др. [9].
1.4. Температура сгорания
Тепло, выделяющееся в зоне горения, расходуется на нагрева-
ние продуктов горения и теплопотери (к последним относятся пред-
варительный нагрев горючего вещества и излучение из зоны горе-
ния в окружающую среду). Максимальная температура в зоне

27.
27
горения, до которой нагреваются продукты горения, называется
температурой горения. Различают калориметрическую, теоретиче-
скую и действительную температуры сгорания топлива.
В зависимости от условий, в которых протекает процесс горе-
ния, к перечисленным температурам сгорания топлива добавляется
адиабатическая температура.
Под калориметрической температурой горения понимают тем-
пературу, до которой нагреваются продукты горения при соблюде-
нии следующих условий:
1) все тепло, выделившееся в процессе реакции, идет на нагре-
вание продуктов горения;
2) происходит полное сгорание стехиометрической горячей
смеси, коэффициент избытка воздуха α = 1;
3) в процессе образования продуктов горения не происходит их
диссоциация;
4) горючая смесь находится при начальной температуре 273 К
и давлении 101,3 кПа.
Теоретическая температура горения отличается от калоримет-
рической тем, что в расчетах учитываются теплопотери на диссоци-
ацию продуктов горения. Диссоциацию продуктов горения нужно
учитывать при температурах выше 1700°С.
Теоретическая температура сгорания представляет темпера-
туру, до которой нагрелись бы продукты сгорания, если бы на их
нагрев пошла вся теплота, введенная в камеру сгорания, за выче-
том потерь от химической (qхим) и физической (qфиз) неполноты
сгорания.
Действительная температура горения – это температура, до ко-
торой нагреваются продукты горения в реальных условиях. Дру-
гими словами, действительная температура сгорания – это фактиче-
ская температура с учетом всех потерь теплоты, в том числе и в
окружающую среду. Действительная температура может быть
определена путем сложных расчетов с учетом теплоотдачи.

28.
28
2. ТОПЛИВА ТЕПЛОВЫХ МАШИН
2.1. Авиационные топлива
К авиационным топливам предъявляются следующие основ-
ные требования:
 высокое энергетическое качество, характеризуемое высо-
ким значением низшей теплотворной способности, малой
молярной массой продуктов сгорания, большой плотно-
стью;
 хорошее воспламенение в условиях эксплуатации летатель-
ного аппарата;
 стабильность, отсутствие повышенной токсичности;
 ограниченное содержание примесей – серы, азота, металлов.
Физико-химические свойства керосиновых топлив, используе-
мых в авиации представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Физико-химические свойства топлива
Свойства топлив
ТС – 1
ГОСТ
10227-62
РТ
ГОСТ
16564 – 71
Т – 8В
ТУ3840.1387-
82 предъявля-
ются
Рекомен-
дуемое
ИКАО
топливо
Jet А-1
Плотность при
200°С
0,775 0,775 0,806 0,78…0,82 0,8115
Температура ки-
пения, 0°С
10% от точки ки-
пения
150 135 178 165…201 100
Окончательная
точка кипения
250 280 264 273…283 276

29.
29
Окончание табл. 2
Содержание аро-
матических ве-
ществ в % к объ-
ему
22 18,5 22 15…20 19,9
Содержание
нафталинов, в %
к объему
1 1,96 1…2 0 2,3
Точка дымления,
мм
25 25 22 20…28 25
Содержание во-
дорода, в % к
массе
14 14 14 13,6…14 13,85
Содержание се-
ры, в % к массе
0 0,25 0,1 0,0055 0,3
Кинематическая
вязкость, мм2
/c
8 при
400°С
16
при 400°С
9,63
при 400°С
6…6,5
при 200°С
7,3 при
230°С
Массовая теп-
лота сгорания,
МДж/кг
42,8 43,1
Высота не коптящего пламени у РТ > 25 мм и температура
начала кристаллизации ниже минус 500о
С.
Эксплуатационные и противоизносные свойства топлив ТС-1 и
РТ представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Эксплуатационные и противоизносные свойства
топлив ТС-1 и РТ
№
пп
Показатель ТС-1 РТ
1 Термоокислительная способность в статиче-
ских условиях (Т = 150ºС, 4 час):
количество осадка, мг/100 см3
топлива 1 12
концентрация нерастворимых смол,
мг/100 см3
топлива
6 3

30.
30
Окончание табл. 3
2 Воздействие на резины, применяемые в
топливных авиаагрегатах (Т = 140ºС, 5 час)
предел прочности, кгс/см2
87 100
относительное удлинение, % 85 105
3 Коррозионная агрессивность (Т = 98ºС, 4
час):
потеря массы образца стали Ст-3 за время
испытаний, г/м3
7 22
потеря массы образца бронзы ВБ-23НЦ за
время испытаний, г/м3
6 20
4 Диаметр пятна износа, мм 1,52 1,46
5 Критическая нагрузка схватывания, кгс 25,2 24,6
2.2. Водород как топливо
Криогенные топлива удовлетворяют большинству указанных
требований, но имеют и свои особенности, которые необходимо
учитывать при проектировании и эксплуатации. В книге по вопро-
сам водородной энергетики [2] авторы предсказывают большие
перспективы по использованию жидкого водорода в авиации: «Ши-
рокое использование жидкого водорода в качестве топлива в авиа-
ции может начаться раньше, чем в других отраслях транспорта,
также и в связи с тем, что именно авиация как динамическая от-
расль, обладающая высокой культурой производства и высококва-
лифицированными кадрами, способна в первую очередь воспринять
опыт реализации космических программ с использованием жидкого
водорода и является наиболее подготовленной в техническом отно-
шении к решению этой важной задачи».
Водород широко распространен в природе (масса в земной коре
составляет 7%). Его запасы практически неисчерпаемы (в мировом
океане около 1,2∙107
тонн). При нормальных атмосферных условиях
водород существует в газообразном состоянии. При температуре
около 20,4 К газ переходит в жидкое состояние и при 14 К в твердое.

31.
31
Пределы воспламенения его в воздухе находятся между 4% и 75%
объемного содержания водорода. Высокая взрыво- и пожароопас-
ность объясняется его способностью легко вступать в реакцию
окисления.
Физико-химические свойства водорода представлены в таб-
лице 4.
Таблица 4 – Физико-химические свойства водорода
Показатели Значения
Молекулярная масса 2,0159
Температура кипения при давлении 0,1013 МПа, К 20,3
Температура замерзания при 0,1013 МПа, К 11,2
Теплота сгорания низшая, МДж/кг 120
Удельная газовая постоянная, Дж/кг К 4124,4
Теплоемкость газа, (0,1013 МПа, 293 К), кДж/кг 14,3
Физико-химические параметры сгорания водорода в сравне-
нии с другими видами топлив представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Физико-химические параметры сгорания водорода
и других топлив
Характеристика
Водо-
род
Керосин
Авиа-
бензин
Диз.
топливо
Мета-
нол
Метан
Элементный состав:
С
– 0,853 0,85 0,87 0,375 0,75
Н 1 0,147 0,15 0,13 0,125 0,25
О – – – – 0,5 –
Плотность, кг/м3
:
жидкий
70,8 800 700 820 790 415
газообразный 0,0899
Вязкость при 20ºС,
м2
/с
1,75 10-6
0,8 10-6
4...6,5 10-6
0,27 10-6
Температура начала
кипения, К
20,2 423 313 338 111

32.
32
Окончание табл. 5
Температура
конца кипения, К
20,2 523 453
Температура вос-
пламенения, К
823-873 708 773-793 593-653 741 923-973
Нижний концен-
трационный пре-
дел воспламене-
ния
4 1,4 0,59 54…99 6,72 5
Верхний концен-
трационный пре-
дел воспламене-
ния
74,2 7,4 6 98…155 36,5 15
Стехиометриче-
ское количество
воздуха, кг/кг
2,7 0,4 0,4 0,4 –
0,34…0,3
7
Низшая тепло-
творная способ-
ность, МДж/кг
121 43 4,4 42…43 19,4 0,186 10-4
Коэффициент
диффузии в воз-
духе, м2
/с
0,66 10-4
– – – – 0,186 10-4
Максимальная
температура горе-
ния в воздухе, К
2503 2340 – – 2175 2316
Энергия воспла-
менения, кДж
20 250 250 – – –
Скрытая теплота
испарения, кДж/кг
451 209 292…314 188 1105 511
С водородной энергетикой связывают большие надежды во
всем мире, но последний мировой кризис поубавил интерес к ней
не только со стороны бизнеса, но и государственного сектора.
Научно-техническая политика России в области водородных техно-
логий и топливных элементов опирается, в первую очередь, на фе-
деральные целевые программы, частно-государственное и между-
народное сотрудничество.

33.
33
2.2.1. Преимущества водорода по сравнению с керосином
Преимущества водорода в качестве энергоносителя:
 большая теплотворная способность на единицу массы;
 более широкие концентрационные пределы распростране-
ния пламени, т.е. больший диапазон работы по коэффици-
енту избытка воздуха α;
 высокая скорость сгорания и диффузии (коэффициент диф-
фузии 0,63 см2
/с);
 экологическая безопасность и нетоксичность;
 возможность долговременного хранения.
Теплота сгорания жидкого водорода в 2,8 раз выше, чем у ке-
росина, что обусловливает почти такое же увеличение удельного
импульса двигателя и уменьшение запаса топлива на борту, т.е.
уменьшение взлетной массы при заданной дальности полета и
массе полезного груза. Большая теплоемкость позволяет использо-
вать его хладоресурс в системе охлаждения двигателя и самолета.
Теплопоглощающая способность почти в 30 раз выше, что особенно
важно при сверхзвуковых скоростях полета. Результаты оптимиза-
ции применения сверхзвуковых самолетов при скоростях полета
3 < М < 8 показали, что наибольшая дальность полета при исполь-
зовании жидкого водорода достигается при скорости М = 6 (11000
км), при использовании керосина при М = 3 (7200 км) и СПГ при
М = 3 (8500 км). При горении в камере сгорания водород имеет бо-
лее низкую излучательную способность, что приводит к снижению
в 1,5-2 раза тепловых потоков на стенки жаровой трубы. Газообраз-
ный водород в камере сгорания быстро диффундирует в топливо
воздушной смеси, равномерно распространяется по объему, что ис-
ключает образование местных переобогащенных зон горения. От-
мечено хорошее и устойчивое горение на бедных смесях (без повы-
шенных пульсаций), что особенно актуально при обеспечении
жестких требований ИКАО по экологической безопасности. С при-

34.
34
менением водорода связано увеличение высотности запуска и по-
лета на 3-5 км по сравнению с керосином. Это особенно важно для
эксплуатации сверхзвукового самолета, так как позволяет умень-
шить интенсивность воздействия ударной волны на поверхность
Земли.
Переход с керосина на водород исключает основную массу за-
грязняющих атмосферу веществ: окись углерода (СО), несгоревшие
углеводороды (СН); частицы сажи (дым). Исключается наиболее
токсичное вещество бенз(а)пирен, который является индикатором
присутствия группы канцерогенных полициклических ароматиче-
ских углеводородов и на содержание которого в воздухе населен-
ных мест и рабочей зоны установлены нормы предельно допусти-
мых концентраций (содержание бенз(а)пирена сегодня в авиации не
нормируется). Состояние исследований по проблеме организации
горения углеводородного топлива (жидкое, газообразное) в камерах
сгорания ГТД не позволяет создать камеры с минимальной эмис-
сией бенз(а)пирена. Эта проблема с позиции конструирования ка-
меры сгорания является чрезвычайно сложной, требующей боль-
ших финансовых затрат и в ближайшее время не будет решена.
Единственным загрязняющим атмосферу веществом в продуктах
сгорания водорода в камере является оксид азота. Достижение уль-
транизких величин массового выброса NOx при сжигании водорода
возможно при изменении принципов организации рабочего про-
цесса в камере. Исключение перечисленных загрязняющих атмо-
сферу веществ в сочетании с разработкой принципов организации
горения с минимальной эмиссией NOx позволяет создать экологи-
чески чистый газотурбинный двигатель.
2.2.2. Недостатки водорода по сравнению с керосином
Низкая температура кипения (криогенность), что обусловли-
вает наличие громоздких топливных баков с экранно-вакуумной

35.
35
изоляцией на борту самолета или транспортного средства, увели-
ченные размеры и масса топливной аппаратуры в системе подачи
топлива. Меньшая плотность требует размещения на борту само-
лета топливных баков больших размеров, что приводит к увеличе-
нию габаритов «криогенного» самолета и некоторому ухудшению
его летно-технических характеристик (ЛТХ), поскольку возрастает
лобовое сопротивление и на 10…18% ухудшается аэродинамиче-
ское качество. Кроме того, хранение криогенного топлива требует
создания специальных систем, обеспечивающих необходимый тем-
пературный режим. Требуются большие энергозатраты на получе-
ние и ожижение водорода, а также затраты на инфраструктуру. По
данным фирмы «Локхид» переоборудование аэропорта в Лос-Ан-
желесе под эксплуатацию самолетов, использующих в качестве топ-
лива жидкий водород, составит около 1 млрд долларов США (в це-
нах 1974 г.). Затрудняется обслуживание и увеличивается время
предполетной подготовки. Опыт показал, что отмечается наводора-
живание металла, т.е. потери прочности. Требуется разработка но-
вых металлов и элементов конструкции, устойчивых в среде жид-
кого водорода.
Водород – бесцветный горючий газ без запаха. При высоких
концентрациях в помещении вызывает удушье. В жидком состоя-
нии опасен обморожением. Способен образовывать взрывоопасные
смеси с кислородом или воздухом при объемной доле водорода,
приведенной к нормальным условиям, от 4 до 75 процентов. Ука-
занные концентрации могут возникать при производстве, хранении,
транспортировке и использовании водорода: в случаях пролива
сжиженного водорода, выброса газообразного водорода в атмо-
сферу, его выброса или утечки в производственное помещение, ис-
парения, накопившегося внутри устройств. Водородные устройства
и системы, предназначенные для производства, хранения, транс-
портировки и/или использования водорода пожаровзрывоопасны
при недостаточной герметичности, дренаже и т.д.

36.
36
Следует также отметить, что получение водорода распростра-
ненным сегодня путем риформинга природного газа влечет за собой
выбросы в атмосферу CO₂ в месте его производства. Декарбониза-
ция природного газа на основе водородных технологий, с использо-
ванием биогаза или адиабатической конверсии метана (АКМ) – тех-
нологии будущего для газодобывающей промышленности, так как
эти технологии ведут к снижению выбросов в атмосферу углекис-
лого газа СО2. Это хорошо укладывается в логику Парижского со-
глашения по климату, одним из пунктов которого является сниже-
ние выбросов углекислого газа в атмосферу.
2.2.3. Получение водорода
Водород химически чрезвычайно активен, поэтому в природе
он существует только в связанном состоянии и, главным образом,
только в воде и органических веществах. Известны следующие
наиболее распространенные способы получения водорода.
1. Разложение воды на водород и кислород (прямой термолиз)
при нагреве свыше 2500°С. Проблема здесь состоит в предотвраще-
нии рекомбинации этих веществ, а также трудности в подборе ма-
териалов, способных выдержать такие температуры, возможность
наводораживания и с источниками энергии для нагрева.
2. Электролитическое разложение воды (электролиз). Этот
способ – наиболее известен, исследован, является универсальным и
имеет следующие достоинства:
 высокая чистота получаемого водорода (до 99,99%);
 простота технологического процесса, его непрерывность;
 доступное и неисчерпаемое сырье – вода.
Недостатки:
 сверхбольшие энергетические затраты;
 необходимость применения в качестве катализатора пла-
тины или палладия.

37.
37
В 70-е годы ХХ века в СССР была принята программа «Водо-
родная энергетика». Координатор – Комиссия по водородной энер-
гетике АН СССР. Постановление СМ СССР №794-191 от 16 июля
1987 г. «О создании и внедрении в народное хозяйство атомных
энерготехнологических комплексов на базе ВТГР».
2.3. Создание специальной инфраструктуры
по транспортировке водорода
В настоящее время группа из одиннадцати европейских газо-
вых инфраструктурных компаний из девяти стран-членов ЕС пред-
ставила план создания специальной инфраструктуры по транспор-
тировке водорода «European Hydrogen Backbone». Их исследование
показывает, что существующая газовая инфраструктура может
быть модифицирована для транспортировки водорода с разумными
затратами. План разработан компаниями Enagás (Испания),
Energinet (Дания), Fluxys (Бельгия), Gasunie (Нидерланды), GRTgaz
(Франция), NET4GAS (Чешская республика), OGE, ONTRAS (обе –
Германия), Teréga (Франция), Snam (Италия) и Swedegas (Швеция).
Компании предполагают, что с середины 2020-х годов постепенно
будет формироваться сеть водородных трубопроводов, соединяю-
щих «водородные долины», центры производства и потребления во-
дорода, которая к 2030 году достигнет протяженности 6800 км. К
2040 году протяженность водородной сети может вырасти до 23000
км. На 75% она будет состоять из переоборудованных нынешних
газопроводов, соединенных новыми участками (25%). До 2050 года
планируется дальнейшее расширение. Водородная магистраль, опи-
санная в документе, будет использована для крупномасштабной
транспортировки водорода, произведенного с помощью ветровых и
солнечных фотоэлектрических систем в Европе, на большие рассто-
яния энергосберегающим способом. Она также позволит импорти-