Авиадвигатели на водороде: турбины или топливные элементы

О событиях и проектах зарождающейся водородной авиации

Концерн Rolls-Royce и авиакомпания easyJet заявили, что один из современных авиационных двигателей британской компании был успешно переведен на чистый водород. Стендовое испытание проведено на демонстраторе с использованием «зеленого» водорода, полученного с помощью энергии ветра. Обе компании поставили перед собой цель доказать, что водород может безопасно и эффективно использоваться как топливо для гражданских авиационных двигателей.

Для испытаний использовали переоборудованный турбовинтовой двигатель для региональных самолетов Rolls-Royce AE 2100-A. В отличие от турбореактивных двигателей, в которых тягу создает реактивная струя, выходящая из турбины, в турбовинтовых большая часть тяги создается воздушным винтом, получающим энергию от турбины. Турбовинтовые самолеты наиболее эффективны при скоростях полета ниже 725 км/ч. Современные турбовинтовые авиалайнеры работают почти на той же скорости, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают на две трети меньше топлива в расчете на одного пассажира. Это указывает, что разработчики по-прежнему считают стоимость водорода высокой и начали внедрять водородное топливо с моделей двигателей с наибольшей топливной экономичностью.

Одновременно с тем развивается направление самолетов на топливных элементах. Фирма H2FLY, базирующийся в Штутгарте разработчик технологий водородных топливных элементов, разработала демонстрационный самолет HY4, который совершил полет на высоте 2200 метров и подтвердил позицию компании как одной из ведущих в новом секторе. Четырехместный HY4 успешно продемонстрировал применимость водородно-электрических силовых установок на основе топливных элементов в авиации в ходе нескольких летных испытаний и более чем 90 взлетов-посадок. Он также служит испытательной платформой для дальнейшего развития силовой установки и, таким образом, закладывает основу для разработки 40-местного самолета Dornier 328 с водородным двигателем, который будет разработан совместно с Deutsche Aircraft к 2025 году.

Компания Airbus исследует обе возможности: и водородные турбины, и топливные элементы. С одной стороны, Airbus 30 ноября объявила о разработке двигателя на водородных топливных элементах. Эта силовая установка рассматривается как одно из потенциальных решений для оснащения самолетов с нулевым уровнем выбросов, которые должны поступить в эксплуатацию к 2035 году. Для проведения летных испытаний новых водородных технологий в настоящее время модифицируется летающая лаборатория — на самолет A380 MSN1 устанавливают баки с жидким водородом и соответствующие топливные системы. Продолжая инвестировать в эту технологию, Airbus планирует применить результаты для создания лайнеров по программе ZEROe, разработку которых компания планирует начать в 2027–2028 годах. Airbus уже давно изучает возможности силовых установок на топливных элементах для авиации. В октябре 2020 года Airbus создала Aerostack, совместное предприятие с ElringKlinger, компанией с более чем 20-летним опытом работы в качестве поставщика систем и компонентов топливных элементов.

С другой стороны, демонстратор ZEROe также будет оснащен водородной турбиной, аналогичной обычному двигателю, используемому в современных самолетах. Двигатель внутреннего сгорания будет установлен вдоль задней части фюзеляжа и соединен с системой распределения водорода. Жидкий водород будет переходить в газообразное состояние и поступать в камеру сгорания двигателя. Для этого будет использован модифицированный двигатель General Electric (GE) Passport — вариант турбовентиляторного двигателя CFM LEAP.

Как видно, число разработок и испытаний двигателей для водородной авиации растет. Но выбор между переходом на водородно-электрические модели на топливных элементах и модернизацией традиционных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей внутреннего сгорания пока еще не сделан.

Авторы: Андрей Ковалев
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ, Минобрнауки России