Hidrógeno en la aviación: ahora el hipersonido
Portador de satélite hipersónico de Australia. Fuente: naked-science.ru
Combustible de alta tecnología
El hidrógeno es un combustible casi ideal, y para la mayoría de los motores.
Por ejemplo, proporciona un impulso de empuje específico muy alto, es decir, una excelente relación entre el empuje del motor y el consumo masivo de combustible para motores a reacción. Esta es una consecuencia directa de la intensidad energética récord y la pequeña masa de hidrógeno.
En términos de poder calorífico, este combustible es tres veces superior al aviación queroseno. En la cámara de combustión, el hidrógeno también se comporta bien: se quema constantemente y no crea pulsaciones dañinas. Una ventaja para los ingenieros es la alta capacidad de refrigeración del combustible, que aumenta el rendimiento de los motores.
Y, por supuesto, la principal ventaja del hidrógeno en nuestra era de "ecologización" total es su respeto por el medio ambiente: en el escape hay vapor de agua con una pequeña mezcla de óxidos de nitrógeno.
Sin embargo, el hidrógeno es amigable con la naturaleza solo en la etapa de combustión en el motor: la producción de esta sustancia está asociada con costos de energía considerables. Pero más sobre eso más adelante.
La idea de utilizar hidrógeno líquido emparejado con oxígeno líquido como combustible fue propuesta por Tsiolkovsky a principios del siglo pasado.
Con todas las ventajas descritas anteriormente, la sustancia más ligera del universo tiene muchas desventajas.
En primer lugar, los altos costos de obtención y licuefacción del gas: en promedio, un kilogramo de hidrógeno es de 20 a 80 veces más caro que un kilogramo del mejor queroseno de aviación.
Las dificultades se suman a la tecnología de almacenamiento de dicho combustible, que simplemente no se puede verter en un tanque. Incluso en los depósitos de hidrógeno más modernos no se descartan fugas accidentales. Por lo tanto, en un principio, las restricciones al uso de combustible de hidrógeno eran de naturaleza puramente tecnológica.
La idea de usar hidrógeno como combustible se pensó seriamente solo después de la guerra: la Guerra Fría y la carrera espacial acababan de llegar. La investigación comenzó casi simultáneamente en los Estados Unidos y la Unión Soviética, pero con el tiempo, la iniciativa tecnológica pasó a los estadounidenses.
El escepticismo de los ingenieros nacionales se asoció principalmente con el peligro extremo de operar varios tipos de motores de hidrógeno. La más mínima despresurización del sistema de combustible condujo a la combinación de hidrógeno y oxígeno en "gas explosivo". Entonces, al probar motores de cohetes domésticos con hidrógeno, era necesario llevar puntos de control a una distancia de al menos 1 metros.
Llenos de 2-3 toneladas de hidrógeno líquido, los sistemas de propulsión eran máquinas infernales en caso de situaciones de emergencia.
A pesar de esto, Estados Unidos logró lanzar el vehículo de lanzamiento Atlas-Centaur en noviembre de 1963, que fue el primero en el mundo en tener una etapa superior de oxígeno-hidrógeno.
Más tarde, el transbordador espacial usó motores de marcha de un diseño similar.
En la Unión Soviética, el motor de oxígeno-hidrógeno RD-0120, desarrollado para el vehículo de lanzamiento gigante Energia, se hizo muy famoso.
Tu-155. Fuente: edicthai.com
Más cerca del tema de este artículo, otro logro mundial de los ingenieros soviéticos es el primer avión Tu-155 de combustible criogénico del mundo.
Salió al aire el 15 de abril de 1988 con centrales eléctricas "híbridas". El caso es que uno de los tres motores, situado a la derecha, fue sustituido por un NK-88 de hidrógeno.
Evalúe la complejidad del diseño del Tu-155 según las memorias de Valery Solozobov, quien participó en la construcción de una máquina única:
Al diseñar el laboratorio volador, fue necesario cambiar significativamente el diseño del Tu-154 y resolver una serie de problemas técnicos complejos. En el fuselaje trasero, donde estaba ubicado el compartimiento de pasajeros, se equipó un compartimiento sellado y se instaló un tanque criogénico de 20 metros cúbicos. metros de hidrógeno líquido con aislamiento térmico de pantalla-vacío, que durante mucho tiempo mantiene la temperatura en el tanque por debajo de -253 grados centígrados.
El desarrollo del Tu-155 fue un subproducto del programa Energia-Buran, que también creó un motor de hidrógeno, aunque uno de cohete.
A finales de los 80, la URSS planeó crear toda una industria para la generación de hidrógeno, por lo que su precio debería haber bajado a un nivel aceptable en el transporte civil. Solo queda encontrar a aquellos que estén dispuestos a abordar el avión con varias toneladas de hidrógeno líquido a bordo; incluso los pasajeros más inexpertos recordaron la tragedia de Hindenburg, que enterró la industria de las aeronaves durante muchos años.
Como resultado, el Tu-155 realizó cinco vuelos en una configuración de hidrógeno, después de lo cual se rediseñó el motor NK-88 para gas natural comprimido. Sin embargo, el poder calorífico del combustible azul ya no es tres veces superior, sino solo un 15% superior al del queroseno de aviación.
Pero con el almacenamiento, quedan ciertas dificultades: los tanques deben mantener constantemente menos 160 grados.
Sin embargo, el gas comprimido no cumplió con las expectativas y los aviones todavía usan queroseno.
Ahora, ciertas esperanzas están asociadas con las máquinas hipersónicas, en las que el hidrógeno puede abrirse de una manera nueva.
Desde Australia con hipersónico
Más reciente noticias sobre la construcción de motores de hidrógeno provino de donde no esperaban: de los sistemas de lanzamiento australianos Hypersonix, que tiene poco más de tres años.
Sin embargo, los desarrolladores están proponiendo una revolución en la forma del concepto de un avión de entrega de satélites hipersónicos en órbita. Delta Velos está propulsado por cuatro motores estatorreactores hipersónicos Spartan.
Curiosamente, para la combustión, el hidrógeno no requiere un suministro de oxígeno a bordo: el oxidante necesario se extrae de la corriente de aire a una velocidad superior a M = 1. El conducto de aire especialmente diseñado del motor Spartan comprime el aire entrante hasta tal punto que el hidrógeno inyectado en la cámara de combustión se enciende inmediatamente.
Al mismo tiempo, la combustión se mantiene en un régimen de flujo supersónico: este es el parámetro clave del motor.
Desde hace varios años, los especialistas de la TsAGI nacional han estado haciendo algo similar como parte de su trabajo en los motores estatorreactores de hidrógeno.
Según Hypersonic, tienen planes más grandes, después de todo, el motor Spartan ha estado en desarrollo durante unos 30 años e incluso realizó más de una docena de vuelos suborbitales. Obviamente, otras personas se dedicaron a afinar el motor: la empresa en sí, recordamos, solo tiene tres años.
Para poner en funcionamiento un motor hipersónico se requiere una etapa superior. Esta función la realiza el Boomerang de oxígeno-hidrógeno que, tras quedarse sin combustible, se separa, despliega sus alas y se desliza hacia la base. Todo en las mejores tradiciones de Elon Musk.
historia se inicia solo por el bien de un satélite de 50 kilogramos en el vientre del Delta Velos hipersónico, que, a una altitud de varias decenas de kilómetros, entrará en vuelo libre y el portaaviones regresará a casa. La velocidad máxima en el pico de la trayectoria está prevista de 5 a 7 Machs.
Motor de hidrógeno espartano. Fuente: naked-science.ru
Hasta ahora, esto es solo una teoría, pero los australianos prometen una implementación práctica el próximo año.
Es cierto que hasta ahora solo en un factor de forma en miniatura: el prototipo será una copia a escala reducida del Delta Velos con una envergadura de 2,8 metros. Una verdadera portadora hipersónica de satélites ya tendrá una envergadura de 12 metros.
Si todo va bien, el primer demostrador de tecnología completo debería volar en 2024. Al mismo tiempo, el proyecto puede tener varias opciones de desarrollo: esta es una realización militar y un avión hipersónico civil capaz de cruzar el Océano Pacífico en un par de horas.
Delta Velos. Fuente: naked-science.ru
Un uso tan audaz del hidrógeno se explica, en primer lugar, por la estrategia "verde" global: los países líderes están cambiando a la síntesis por electrólisis de una sustancia.
Se eligieron paneles solares y generadores eólicos como fuente de electricidad respetuosa con el medio ambiente. El hidrógeno debería convertirse en una especie de acumulador de energía para los periodos de inactividad forzada de los molinos de viento en calma.
Es desde tales instalaciones de almacenamiento que planean reabastecer sus hipersónicos y extremadamente "verdes". Drones Sistemas de lanzamiento Hypersonix.
Sin embargo, el hidrógeno seguirá siendo económicamente desventajoso.
En primer lugar, el alto coste de la electricidad procedente de molinos de viento y paneles solares en las próximas décadas no competirá con la generación de las centrales térmicas, y más aún, con las centrales de distrito estatales y las centrales nucleares.
En segundo lugar, para obtener hidrógeno a partir de la electrólisis del agua, se requieren costosos destiladores: el agua del lago no es adecuada para tal alta tecnología. Y esto también es un costo adicional.
Y si la producción de hidrógeno "verde" realmente se vuelve masiva (a costa de costos increíbles), entonces, ¿dónde desechar los cientos de miles de toneladas de salmuera que quedan después de la destilación del original?
¿Y los proyectos de transbordadores hipersónicos de hidrógeno, que consumen combustible como locos, agravarán la situación?
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