Грядущие экологические нормы и климатические цели «зеленой экономики» грозят приземлить всю коммерческую авиацию, если до 2050 года не появятся самолёты с нулевым выбросом или с серьёзной экономией топлива.
Компания Bombardier объявила, что намерена решить эту проблему создав бизнес-джет «Ecojet» по схеме «смешанное крыло»: фюзеляж существенно уплощен и создает заметную часть подъемной силы самолета в целом. Кроме того, смешанное крыло уменьшает лобовое сопротивление и шум, и, как следствие, снижает расход топлива.
Компания Bombardier декларирует что на на новом самолёте добъется снижения расхода топлива и выбросов на 50% , по сравнению с эксплуатируемыми типами коммерческих реактивных самолетов.
Попробуем разобраться, удастся ли ей это.
Содержание:
Современные пассажирские авиалайнеры эволюционируют только по линии мелких улучшений – замены алюминия на алюминий-литиевые сплавы или даже углепластик (в крыльях).
Их внешний вид остается неизменным с 1950-х годов – с первого реактивного авиалайнера, британского «Comet»: круглая в сечении «труба» фюзеляжа, лишь слегка скошенные назад крылья, под которыми подвешены моторы, а внутри крыльев размещены топливные баки, – все это не менялось вот уже почти 70 лет подряд. И оставалось бы еще дольше – если бы не зеленое давление. Так как, именно форма фюзеляжа определяет основные аэродинамические особенности самолета.
Западное общество все чаще и чаще слышит от своих правительств об «углеродном следе» , но ничего не слышит о том, что именно этому углеродному следу человечество обязано своим комфортным существованием. Это означает, что с углеродным следом (и, косвенно, порожденной им биомассой) будут беспощадно бороться. А авиация – один из главных его источников.
Всем уже ясно, что Правительства решили что с 2030-х электромобили будут основным типом выпускаемых автомашин, а железнодорожный транспорт и сейчас уже во многом электрифицирован.
Но авиалайнеры, в отличие от автомобилей и поездов, невозможно электрифицировать в лоб: лучший литиевый аккумулятор на сто киловатт-часов весит полтонны (200 ватт-часов на килограмм). То есть накопитель, эквивалентный сотне тонн керосина (столько топлива, например, у A330) весил бы 2000 тонн, что сразу делает проект нереалистичным. Ведь заправленный и загруженный A330 сам весит примерно 250 тонн – на него невозможно навьючить батарею весом в пару тысяч тонн, он просто не взлетит.
То есть «углероднонейтральный» самолет по-прежнему требует топлива, а не батарей – только вот какого?
Стандартный керосин попадает под законодательный запрет.
Природный метан это ископаемое топливо – то есть его сжигание все равно ведет к выбросам углекислого газа в атмосферу.
Остается водород.
Именно поэтому западные авиаконцерны постоянно обещают переход на водородное топливо «на горизонте в 15-20 лет». И тем не менее, пока это лишь обещания.
Немного цифр
Когда мы говорим о топливе для летательного аппарата, то важнейший показатель – теплота сгорания в мегаджоулях на литр объема. Для жидкого водорода она примерно 8,5 мегаджоулей на литр, для метана 22,8 мегаджоулей на литр, а для авиационного керосина – 35 мегаджоулей на литр.
Следовательно, для одинакового количества энергии объем керосинового топливного бака меньше:
— в 4,1 раза, чем для водородного топлива,
— в 1,6 раза, чем для метанового топлива.
Ещё немого цифр: Кубометр жидкого водорода весит 71 килограмм, а кубометр авиакеросина 778-841 кг. Водород при сгорании дает 121 мегаджоуль на килограмм, а керосин – 43-46 (его состав часто разнится) мегаджоулей на килограмм. Плотность метана 410 килограмм на кубометр – в шесть раз выше, чем у водорода. Теплота сгорания килограмма метана — 55,7 мегаджоуля на килограмм, т.е. вдвое ниже, чем у водорода. Но в шесть раз большая плотность жидкой фазы газа легко перебивает этот фактор: бак для жидкого метана примерно в 2,5 раза меньше, чем для водорода.
Отсюда метановый бак, равный по энергетическим возможностям керосиновому на А330 (139 кубометров), будет иметь размер всего в 216 кубических метров. А вот водородный – примерно 560 кубических метров.
Для справки: внутренний объем грузового салона А330 =475 кубических метров.
Т.е. благие пожелания использовать водород в качестве авиационного топлива , на данном этапе малоосуществимы.
Считается что увлечение авиаконструкторов схемой «летающее крыло» или его разновидностью «смешанное крыло» объясняется ориентированием на водородное топливо в будущем авиации. В подобных схемах объём фюзеляжа уменьшается, а полезное пространство для груза, топлива или авиационного оборудования появляется в утолщённых крыльях, в которые фюзеляж как бы плавно перетекает.
Теоретически, в показанный Bombardier аппарат можно уместить метановые баки. Они лишь в 1,6 раза больше, чем керосиновые с равным объемом запасенной энергии. Смешанное крыло создает дополнительный свободный объем, куда можно поместить метановые баки, без ущерба для коммерческого объема и грузоподъемности.
Зеленый метан
В принципе, для выполнения «зеленого мандата» метан подходит не хуже водорода.
При некоторых химических реакциях углекислый газ и водород в итоге вполне дают метан. То есть, получив водород с помощью «зеленого» электричества, его можно будет использовать для получения столь же «зеленого» (а не ископаемого) метана.
При этом углекислого газа при сжигании «зеленого метана» будет выделяться примерно столько же, сколько было его связано при его синтезе по реакции Сабатье.
Реакция Сабатье – реакция водорода с диоксидом углерода при повышенной температуре (300 – 400 ◦С) и давлении в присутствии катализатора для производства метана и воды. Она была открыта французскими химиками Полем Сабатье и Жан-Батистом Сендеренсом в 1897 году. Произведенный синтетический газ — метан, в современной интерпретации называется экологами зеленым.
То есть формально ”первородный грех” топлива – выбросы СО2, при сжигании зеленого метана – тут будут полностью ”искуплены”.
Да, стоимость подобного синтетического горючего должна быть намного выше, чем у природного метана, – и скорее всего даже дороже, чем у керосина. Однако это не беда. Жители западного мира перенесут связанное с переходом на «зеленый метан» повышение цен на авиабилеты. Реальным плюсом при этом станет то, что метан заметно меньше керосина загрязняет атмосферу микрочастицами, которые являются одной из основных причин смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. А они, напомним, – пока основная причина смерти на нашей планете.
Более того: переход на «зеленый метан» будет идеальным и для производителей западных авиалайнеров. Они слишком консервативны для перехода на «несущий фюзеляж» и «летающее крыло» для больших самолетов. Зато, сделав «горб» на лайнере обычных аэродинамических форм – так, как это было сделано на проекте Ту-206 десятки лет назад (в начале 90-х годов прошлого века) – и Airbus, и Boeing вполне справятся с решением задачи «нулевых выбросов СО2». Тут и новых аэродинамических решений особо не нужно, и экологи будут довольны. А увеличение расхода топлива примерно на 15% оплатят пассажиры.
ТУ-206 с «горбом».
Однако этому тезису противоречит заявление Bombardier о «снижении выбросов на 50%». В современном западном мире производители транспортных средств под «выбросами» чаще всего имеют в виду выбросы углекислого газа. Переход с современного керосина на метан может сократить такие выбросы от силы на 10%, не более.
Из этого следует, что почти наверняка Bombardier проектирует свой «Экоджет» под так называемое «устойчивое авиатопливо». Под этим названием на Западе фигурирует керосин с добавлением масел и жиров биологического происхождения. При сгорании они выбрасывают точно такое же количество СО2, как обычное авиатопливо, но, по западным нормам, СО2, взявшийся из «биологического» источника, как бы и не считается углекислым газом — мол, при разложении растительных продуктов он бы и так попал в атмосферу. Это, разумеется, не вполне верно (растительные остатки часто не успевают разложиться в почве), но с точки зрения авиаиндустрии очень удобно.
Удобно потому, что к 2050 году Запад нацеливает авиацию на «нулевые выбросы». Какое-то время назад местные компании рассчитывали, что добьются этого переходом на водород. Однако после того, как конструкторы показали, что внутренний объем самолетов не позволяет перейти на жидкий водород без резкой потери дальности, авиагиганты сосредоточились на том, как бы достичь «нулевых выбросов», продолжая выбрасывать столько же СО2, просто объявив свое жидкое топливо «биотопливом».
Смешанное крыло в этом смысле обладает очевидным потенциалом. Полностью «биологического» керосина пока никто не умеет делать. Можно попробовать перепроектировать турбины так, чтобы летать на «биодизеле», но это непростая работа (по ряду причин солярка неидеально ведет себе на большой высоте при низких температурах). В таких условиях разумно создать «запас по объему для топлива» для самолета будущего.
К тому же использование смешанного крыла позволяет несколько снизить и абсолютный расход топлива за счет увеличения подъемной силы самолета при сохранении прежней полезной нагрузки и меньшего аэродинамического сопротивления от крыла. Это в теории позволяет сократить расход топлива на величину в 10-20% (в зависимости от уровня реализации).
Переход авиакомпаниями на «зеленый метан» или «устойчивое авиатопливо», сократит выбросы, под которыми понимают только «углеродный след», но фактически по-прежнему продолжится загрязнение атмосферы микрочастицами.
Т.е., надо понимать что, водород как топливо, пока экономически не рентабелен, поэтому заявление компании Bombardierо о снижение расхода топлива и выбросов на 50% маловыполнимо, и скорее всего обычный рекламный ход .
А вот стоимость перелётов в будущем останется доступна теперь только пассажирам бизнес-джетов, билеты на которые и сейчас малодоступны для основной массы авиапассажиров.
Статья написана на базе заметки Александра Березина Bombardier работает над прототипом самолета со «смешанным крылом» https://naked-science.ru/article/tech/samolet-so-smeshannym-krylom
На изображениях «Экоджета» легко рассмотреть развитые законцовки крыла. С аэродинамической точки зрения удлиненное крыло лучше обычного крыла с законцовками. Раз законцовки есть, значит, Bombardier использует не целиком углепластиковое крыло, как на МС-21, а обычное крыло из металлов, с которым удлиненное крыло выходит слишком тяжелым / ©Bombardier
Источник — https://naked-science.ru/article/tech/samolet-so-smeshannym-krylom
