Ученые из Северо-Западного политехнического университета в Китае и Китайского университета Гонконга представили концепцию инновационного гибридного двигателя для широкофюзеляжных самолетов. Новая силовая установка объединяет газовую турбину и высокотемпературные водородные топливные элементы. В случае успешной реализации это позволит увеличить продолжительность полета без дозаправки до 17 часов и полностью исключить выбросы CO₂.
Необходимость электрификации авиационного транспорта обусловлена его растущей долей в мировых выбросах углекислого газа. Реактивные двигатели на керосине остаются главным источником загрязнений. Однако в настоящее время полностью электрические самолеты на аккумуляторах невозможны: батареи слишком тяжелые и не обеспечивают необходимой дальности. Топливные элементы на водороде куда эффективнее, но требуют сложной системы хранения и не всегда справляются с нагрузкой на критических этапах, например, при взлете.
Китайские исследователи предложили компромиссное решение – встроить высокотемпературный протон-обменный топливный элемент в турбовентиляторный двигатель. То есть создать двигатель, который сможет работать в двух режимах. При такой схеме во время взлета и при наборе высоты работает гибридный режим: газовая турбина и топливные элементы подключаются одновременно, чтобы выдать максимум мощности. На крейсерской же скорости система переключается на электрический режим, где основную работу берут на себя топливные элементы.
Для проверки своей гипотезы ученые построили подробную математическую модель двигателя и всей энергетической системы самолета. В расчеты включили аэродинамику, работу топливных элементов и процессы, происходящие в криогенных баках с жидким водородом. Моделирование позволило проследить, как изменяются характеристики установки на разных скоростях, высотах и при различных нагрузках. Особое внимание уделили хранению топлива: поскольку жидкому водороду требуется куда больший объем, чем керосину, исследователи рассмотрели вариант удлинения фюзеляжа, чтобы разместить внутри дополнительные криогенные баки.
Результаты оказались впечатляющими. На крейсерском режиме удельный расход топлива оказался ниже на 12,6%, чем у традиционного турбовентилятора, а при дросселировании тяга выросла на 10%.
Однако самые неожиданные результаты связаны с использованием водорода. Согласно расчетам, при удлинении фюзеляжа на 20% самолет может полностью перейти на водородное топливо. Такой переход означает полное исключение выбросов CO₂, которые сегодня достигают более 301 тонны за рейс. Также новый двигатель позволит уменьшить массу лайнера почти на 97 тонн и увеличить продолжительность полёта свыше 17 часов без дозаправки, что на 20% дольше, чем у традиционного самолёта.
Ученые уверены, что реализация концепции гибридного двигателя – вопрос самого ближайшего будущего. При этом сам проект они предлагают рассматривать как переходный шаг: в дальнейшем именно такие технологии могут стать основой для создания полностью водородных дальнемагистральных самолетов.
