Автор: Газизов Ильшат Рамилевич
Возраст: 18лет.
Место учебы:  ГАПОУ ИНК
Город, регион: г. Стерлитамак, республика Башкортостан 
Руководитель Левашова Алла Николаевна-преподаватель физики и термодинамики

Альтернативные виды топлива

План:

1. Введение
2. Цель работы
3. Задачи
4. Методы исследования
5. Альтернативное топливо
    5.1. Сжиженный водород
    5.2. Сжиженный природный газ(СПГ)
    5.3. Солнце и биотопливо
    5.4. Атом
    5.5. Биотопливо
    5.6. Электроэнергия
    5.7. Топливные ячейки
6. Перспективы использования альтернативных видов топлива в авиации
7. Вывод
8. Литература

1. Введение

В настоящее время авиация является эффективной грузовой системой т.к. переправляется огромные грузы на огромные расстояния за малое время. С каждым годом число перевозок всё более увеличивается. В связи с чем увеличивается количество вредных веществ попадающих в окружающую среду, по данным статистики загрязнения от одного авиалайнера эквивалентно влиянию почти 8 тыс. автомобилей (25% вредных выбросов всего транспорта),увеличивается цена на авиационное топливо и в скором будущем его нехватка. Так же такая система для полного окисления одного килограмма керосина использует минимум 14,8 килограммов воздуха.

2. Цель работы

Исследовать альтернативу авиационному керосину.

3. Задачи

• Изучить альтернативные виды топлива использовавшихся исторически
• Составить таблицу положительных и отрицательных качеств топлива
• Определить какой из видов имеет наибольшую перспективу 

4. Методы исследования

Исследовать интернет-источники, литературу и др.

5. Альтернативное топливо

• Сжиженный водород
• Сжиженный природный газ(СПГ)
• Солнце и биотопливо
• Атомная энергия
• Биотопливо
• Электроэнергия
• Топливные ячейки

5.1. Сжиженный водород

В конце 70-ых годов двадцатого века, появилась идея использования в авиации водорода.

В ОКБ имени А.Н. Туполева на базе Ту-154 была построена летающая лаборатория обозначенная Ту-155(Ту–154 ЛЛ) с государственным номером СССР-85035, в которой правый из трех двигателей самолета работал на газовом топливе. В отличие от серийной модели в хвостовой части установили бак объёмом 20 м3 и изоляцией способной долго сохранять температуру -253°С.

Был разработан авиационный криогенный комплекс, позволяющий проводить различные виды испытаний с использованием больших количеств криогенной жидкости,  и более 30дополнительных систем для работы на водороде. В таком виде Ту-155 впервые облетал экипаж летчика-испытателя В.А. Саванькаева в апреле 1988 г. Были проведены успешные испытания, в летных исследованиях на Ту-155 было установлено 10 мировых рекордов.

Плюсы системы: экологичность, теплотворность в 3 раза превосходящая керосин.

Минусы системы: взрывоопасность, трудности производства.

5.2. Сжиженный природный газ(СПГ)

На базе ТУ-155 был создан ТУ-156 (на базе серийного лайнера Ту-154М) и предназначавшегося для перевозки коммерческих грузов в деловой эксплуатации. На Ту-156.

В отличие от предшественника двигатели способны работать как на керосине, так и метане. В январе 1989 года машина поднялась в воздух. Основной бак с топливом ёмкостью 13т был размещён вместо заднего пассажирского салона, а центровочный, рассчитанный на 3,8 т в переднем багажном отделении под полом пассажирской кабины. К началу 1997 года по проекту Ту-156 были изготовлены модели для продувки в аэродинамических трубах, начались компоновочные работы, был готов аванпроект и полным ходом шла подготовка эскизного проекта.

При этом дальность перевозки этого груза с использованием СПГ должна быть не меньше 2600 км, а на керосине — 3300 км. Следует заметить, что переход в случае возникновения нештатной ситуации с СПГ на керосин займет около 5 секунд, повышая безопасность полета. Большое число аэропортов находилось около газовых трубопроводах, СПГ планировалось получать за счет перепада давлений на газораспределительных станциях. К весне 1999 года АНТК им. Туполева официально сообщил, что технических проблем для производства первого в мире гражданского самолета Ту-156, использующего для работы сжиженный природный газ, не существует. Техническая документация для изготовления первого образца уже была готова на 70%. Согласно экспертным оценкам, стоимость переоборудования лайнера Ту-154 в газовую версию Ту-156 должна была составить всего от 700 тысяч до 1,1 млн. долларов. Но из-за финансовой нехватки самолёт не поставили на серийное производство.

Плюсы системы: более экологичен и на 15% теплотворнее керосина, дешевизна и доступность.

Минусы: взрывоопасность, высокая цена СПГ по сравнению с обычным газом.

5.3. Солнце и биотопливо:

С 2009 года создаётся гибридный самолёт Eraole ,который может работать на энергии солнца и биотопливе. 

В дневное время самолет летит за счёт электричества от солнечных батарей, а в ночное время мотор работает от биотоплива произведенном из микроводорослей, которые были выращены специально для этой цели. Известно что энергия фотоэлементов будет обеспечивать 25% его пройденного пути, еще 55% будут покрываться за счет ДВС и биотоплива, а оставшиеся 20% самолет будет преодолевать за счет планирования.

Технические характеристики и ход разработки в интернет ресурсе отсутствуют в связи с коммерческой тайной.

Плюсы системы: практически бесплатные полёты, экологичность.

Минусы системы:-

5.4. Атомная энергия

В рамках создания советского атомного бомбардировщика в конце 1957 года к осуществлению этой идеи наряду с другими организациями было подключено ОКБ А. Н. Туполева. Ему было поручено создание специальной летающей атомной лаборатории (ЛАЛ).

К весне 1961-го самолет стоял на аэродроме под Москвой, приехал А. Н. Туполев с министром П. В. Дементьевым, чтобы посмотреть на него. С мая по август 1961 года на Ту-95ЛАЛ было выполнено 34 полета. 

Испытания Ту-95ЛАЛ показали высокую эффективность примененной атомной установки и системы радиационной защиты, но при этом выявили ее громоздкость, слишком большой вес и необходимость дальнейшего совершенствования. 

А главной опасностью атомного самолета была признана возможность его аварии и заражения больших пространств.

Кроме того, затраты на создание самолета с атомной установкой были оценены в 1 миллиард советских рублей, поэтому из-за высокой стоимости в финансировании работ было отказано.

Плюсы системы: высокая автономность.

Минусы системы: дороговизна, возможность биологической катастрофы, грязный след.

5.5. Биотопливо

В настоящее время пришел черед производства так называемого биотоплива второго поколения.

Для этого используется биомасса растений, которые не влияют на пищевую цепочку человека. Биотоплива второго поколения имеют возможность заменить частично или полностью ныне используемые реактивные топлива в авиации без снижения качества и характеристик работы двигателей без выполнения каких-либо коренных изменений в техническом устройстве летательных аппаратов и инфраструктуре аэропортов. Об этом говорят достаточно многочисленные тестовые полеты, проведенные различными авиакомпаниями мира. И наконец, биотопливо третьего поколения.

Для его производства используются исключительно водоросли с высоким содержанием масла. Преимуществом водорослей является тот факт, что они «питаются» углекислым газом из воздуха, их выращивание не требует сельскохозяйственных угодий. Хотя испытательные полеты самолётов с использованием такого топлива были проведены успешно, однако процесс еще слишком дорог.

Плюсы системы: экологичность.

Минусы системы: в настоящее время производить такое биотопливо дорого.

5.6. Электричество

Ещё с конца прошлого века началась разработка самолёта на электрической тяге.

Такие самолёты питаются от химических элементов. Так же такие самолёты могут покрывать солнечными батареями для подзарядки аккумуляторов.

Такая система может поднять в воздух огромный самолёт на малое время, такие самолёты выгоднее всего использовать на малые расстояния, в пределах 1000 км. По этой причине большинство компаний разрабатывают самолёты для малой авиации(на 1-2 человека).

Плюсы системы: экологичность, дешевизна обслуживания.

Минусы системы: цикл заряд-разряд у аккумуляторов ограничен ~700 раз.

5.7. Топливные ячейки

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Интерес возрос в 1950-1960е годы, а также в 1980е, когда промышленный мир пережил нехватку нефтяного топлива. В настоящее время технология производства топливных элементов/ячеек переживает этап бурного развития.

КПД таких станций крайне велик и в среднем составляет 60%.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

HY4 — первый в мире пассажирский самолёт с двигателем на водородном топливном элементе. Первый полёт осуществлен 29 сентября 2016 года.

Объединенные усилия группы, в состав которой входили специалисты по конструированию летательных аппаратов, разработчики систем на водородных топливных элементах и исследователи из некоторых университетов, привели к разработке и созданию первого в мире прототипа пассажирского летательного аппарата на топливных элементах. И буквально на днях этот летательный аппарат, который получил название HY4, совершил первый в своей истории испытательный полет, взлетев с полосы аэропорта в Штутгарте, Германия.

Самолет HY4, размах крыльев которого составляет 21.36 метра, создан по аэродинамической схеме с двумя фюзеляжами, между которых расположена гондола с двигателем. Такая конструкция позволила произвести оптимальное размещение всех элементов силовой установки и обеспечивает самолету максимально возможную для него грузоподъемность. В каждом из фюзеляжей самолета HY4 располагается водородный бак, вмещающий 9 килограмм водорода. Это водород является топливом для низкотемпературных мембранных топливных элементов Proton Exchange Membrane, которые превращают заключенную в водороде химическую энергию в электрическую.

Водородные топливные элементы вырабатывают энергию в количестве, достаточном для осуществления только горизонтального полета. А во время взлета и набора высоты на выручку приходит литий-полимерная аккумуляторная батарея, емкостью 21 Квт*ч, которая "вливает" в двигатели накопленную ею дополнительную энергию.

Самолет HY4 способен пролететь максимальную дистанцию в 1500 километров на одной заправке водородным топливом, а его 80 кВт-ный двигатель способен разгонять самолет до максимальной скорости в 200 километров в час. При этом крейсерская скорость, скорость, при которой силовая установка самолета работает в максимально экономичном режиме, составляет 145 километров в час.

Во время первого испытательного полета самолет HY4 пробыл в воздухе порядка 15 минут, в течение которых он успел совершить один круг вокруг территории аэропорта в Штутгарте.

Плюсы системы: экологичность.

Минусы системы: необходимо обустраивать системы заправки самолетов водородом, взрывоопасность водорода.

6. Перспективы использования альтернативных видов топлива в авиации

Перспектива для использования альтернативных видов источников энергии в авиации велики ,но они небезопасны и на их доработку уйдёт ещё много времени, так же на данный момент цена такой альтернативной энергии в разы выше ,чем привычного керосина из-за мелкого объёма выпускаемой продукции (за исключением электроэнергии), необходимы дальнейшие разработки в этих направлениях, а так же дополнительная государственная поддержка опытных производств. На данный момент наиболее перспективны разработки в области перевода самолетов на электроэнергию, битопливо и топливные ячейки.

7. Вывод

Я исследовал альтернативу керосиновому топливу, рассмотрел варианты исполнения таких самолетов, их историю. Рассмотрел положительные и отрицательные стороны использования таких видов топлива. А так же предложил пути развития данного направления.

8.Литература:

1. Статья о атомных разработках
2. Статья о применении сжиженных газов
3. Гибридные разработки
4. электро самолет
5. Биотопливо
6. Советские самолеты на газу
7. HY4
8. Электрические самолеты