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全球唯一氢燃料飞机:图-155背煤气罐如今这绝技已被中国传承

  液氢的热值是汽油的3倍,很清洁,燃烧产物就是水,而且液氢又是可以再生的能源。同样的,液化天然气(LNG)也与液氢相仿。在上世纪70年代末,由于石油危机的影响,世界各国开始考虑未来的清洁航空燃料,于是苏联开始研制以液氢和液化天然气为燃料的先进飞机。

  一开始苏联改装了一架米亚-4“野牛”战略轰炸机,用于研究液化天然气的飞机运输,这架驮着巨型罐子,当“快递员”的米亚-4 BM-T天然气运输机,是由米亚-4“野牛”重型轰炸机改装而来,原本改装目的是为了驼运暴风雪号航天飞机以及运输火箭燃料,后期被用于在地广人稀且没有铁路的苏联东部地区,西伯利亚荒原和萨哈共和国北冰洋地区的天然气运输。不过,运一次天然气,需要烧掉一半吧。由于液化技术限制,米亚-4“野牛”的天然气罐子太大了,很明显不符合航空运输的要求,于是苏联放弃了。转而研制采用液氢燃料发动机的图-155型飞机。

  图-154客机是由前苏联图波列夫设计局研制的三发中程客机,采用T型“尾翼的基本布局。它的最大巡航速度为950公里/小时,载有最大载荷时航程为3700公里,载荷为5450公斤、载油量最大时航程为6600公里,是目前最成功的俄系喷气式飞机。但图-154客机的口碑很差,发生多起安全事故。图-154客机有很多型号,除了在重量与发动机等一般的分别外,图-154亦有不同利用不一样燃料的型号,其中图-155是全球第一架使用氢或天然气作燃料的飞机。

  图-155于1988年4月进行首飞,它是世界上第一架使用液态氢作为燃料的试验飞机,配备NK-88涡喷发动机。与传统煤油燃料相比,低温液化氢气作为燃料更环保、更高效。20世纪70年代中期,前苏联和世界其他几个国家一样,由于石油短缺而导致能源危机,因此人们积极探讨使用替代燃料的可能性。21世纪随着环境问题的出现,这样的一个问题更加紧迫,全球唯一氢能飞机图-155应运而生。

  2019年的莫斯科航空航天展览会,除了展示一系列国内军事和民用航空的新产品外,还让人接触到俄罗斯过去的各种罕见的飞机,在朱可夫斯基机场举办了一场历史性的苏联喷气式飞机展览,其中就有图-155试验飞机,由低温燃料驱动。低温燃料就是当气体变成液体时,冷却到很低温度。图-155燃料使用低温液化氢气,同时还使用液化天然气作为燃料。

  1970年代,当时正在经历全球能源危机,石油消费持续下降。据地质学家说,地球上潜在的天然气储量是煤炭和石油储量的十倍。同时,俄罗斯天然气已探明储量居世界首位。20世纪70年代,苏联科学院制定了将氢能引入国民经济的研发计划,飞机引擎将使用低温燃料。除了外因之外,还有另一个支持清洁燃料的项目--高超音速和航空航天系统的发展。当时苏联研制中的“暴风雪”号航天飞机,计划燃料就使用液氧和液氢。

  1980年代中期,图波列夫设计局开始制造使用低温燃料的试验飞机,以图-154客机为基础。液氧几乎是理想的航空清洁燃料,在燃烧过程中释放的主要是水和少量的氮氧化物。氢的热容值是传统航空燃油的三倍。但氢气易发生爆炸,只有在接近绝对零度(-273°C)的极低温度下才能在液体条件下储存和运输。

  在设计飞行实验室时,图-154的配置发生了重大变化,并解决一系列复杂的技术问题。机身后部有一个气密舱,里面有一个20立方米的低温液氢罐,液氢采用屏蔽式真空隔热,可长期将储罐温度保持在零下253摄氏度以下。飞机的右舷引擎更换为NK-88发动机,使用液氢燃料。

  尽管低温燃料很优秀,但氢气很容易发生爆炸,人们不得不担忧这点。图-155试点飞行为进一步改善航空低温燃料系统提供了宝贵的经验。图-155项目的下一阶段是将其转换为更友好的燃料--液化天然气。和氢气一样,液化天然气污染明显较少,其热容值比航空煤油高15%。氢气易发生爆炸,只能在非常低的温度下储存和运输。储存液态天然气更容易,温度能达到-160°C左右,几乎比储存氢气时高出100度。

  1989年1月,图-155飞行实验室装备了低温液化天然气发动机。首飞结果为,油耗比煤油降低约15%,客机经济性显著提升。图-155总共有70次飞行,其中5次使用氢燃料,其余的使用液化天然气。不幸的是,当时的技术和经济水平限制,并没有让这一个项目接着来进行下去,但图-155清楚地证明了创造低温航空的可能性。新型能源的开发和应用仍然是21世纪航空领域的一个重要挑战。

  从此以后,氢能源飞机消沉了一段时间。直到进行年氢燃料电池技术的发展,氢燃料才又开始在航空飞行器上应用,这一次中国走在了世界前列。早在2106年,中航技进出口公司和科比特航空联合推出的多旋翼垂直起降无人机HYDrone-1800,就搭载了先进的氢电混动系统,创造了该级别无人机270分钟续航的新世界纪录。这种六轴无人机,最大飞行半径100公里,最大载荷达到25公斤,能安装更多的侦察和作战模块,可直接从战斗车辆上起飞,进行长航时任务,为步兵分队提供超过20公里纵深的战场态势获取能力。

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