Продолжение поста «Водород как топливо для авиации. Project Bee. США.1955 год»⁠⁠

Начало:

1 - Водород как топливо для авиации. Project Bee. США.1955 год

2 -  Продолжение поста «Водород как топливо для авиации. Project Bee. США.1955 год»

Проект Suntan был попыткой ВВС проработать конструкцию самолета на водородном топливе с характеристиками, превосходящими секретный самолет-разведчик U-2.

Предполагалось, что самолет будет летать на высоте 30 300 метров со скоростью 2,5 Маха и иметь дальность полета 4070 километров.

На все давалось 18 месяцев.

Дело было поручено создателю самолета-разведчика U-2 Кларенсу Л. (Келли) Джонсону из Lockheed Aircraft.  В качестве фирмы, занимающейся разработкой двигателя после экспертной оценки была выбрана Pratt & Whitney, подразделение United Aircraft. В качестве фирмы, создающей собственно самолет, была выбрана Lockheed. И в мае-июне 1956 года обе фирмы стали заниматься исследованиями и предварительным конструированием.

Выбранная Lockheed конструкция получила обозначение CL-400 и была способна развивать скорость 2,5 Маха на высоте 30 300 метров.

Двигатели, получившие обозначение 304-2, должны были быть поставлены компанией Pratt & Whitney. Каждый из них весил 2850 килограммов, давал 42 килоньютона на уровне моря и 27 килоньютонов на скорости 2,5 Маха и 29000 метров над уровнем моря.

Келли Джонсон видел в своей задаче нечто большее, чем просто проектирование и строительство самолета на водородном топливе. Он также был обеспокоен ее работой, поскольку для ее успеха необходимо было производить и транспортировать жидкий водород в больших количествах и обращаться с ним, как с бензином. 16 марта 1956 года он и его сотрудники встретились с представителями консалтинговой инженерной фирмы JH Pomeroy and Company of Los Angeles. Джонсон хотел, чтобы Помрой изучил техническую осуществимость и стоимость производства водорода в больших количествах, и его интересовали три скорости производства - 45, 135 и 225 тонн в день. Он хотел, чтобы завод располагался в долине Антилоп в Калифорнии.

Среди первых опасений Джонсона и Рича была опасность возгорания и взрыва водорода.

Были разработаны испытания, в которых баки с жидким водородом под давлением разрывались. Во многих случаях водород быстро улетучивается без возгорания.

Затем экспериментаторы предоставили ракетный пиропатрон (небольшой пороховой заряд) для воспламенения вылетающего водорода. Образовавшийся огненный шар быстро рассеялся из-за высокой скорости пламени водорода и его низкой плотности. Емкости с водородом и бензином были поставлены рядом и разорваны. Когда баллон с водородом разорвался и загорелся, пламя быстро рассеялось, но когда то же самое было сделано с бензином, бензин и пламя остались рядом с баллоном и нанесли гораздо больший ущерб.

Пожар бензина был на порядок серьезнее водородного. Экспериментаторы пытались вызвать взрыв водорода, но без особого успеха. Произошло только два взрыва, и в обеих им приходилось смешивать кислород с водородом. Самый большой взрыв произошел при смешивании пол-литра жидкого кислорода с таким же объемом жидкого водорода.

Джонсон и Рич были убеждены, что при надлежащем уходе с жидким водородом можно обращаться совершенно безопасно и что он является практическим топливом - вывод, который был полностью подтвержден космической программой в 1960-х годах. Однако в то время Джонсон и Рич снимали на видео свои эксперименты с возгоранием и взрывами, чтобы убедить сомневающихся.

Для самолета, работающего на водороде, очень низкая температура и плотность жидкого водорода создают особые проблемы при проектировании баков, насосов, трубопроводов, приборов и других компонентов топливной системы. Особые требования, предъявляемые к водороду, сразу же признаются всеми, кто рассматривает такие конструкции, и, конечно же, получили большое внимание сотрудников группы Джонсона.

В конструкции CL-400 цистерна с водородом разделена на три секции; передний танк имел емкость 67 000 литров; кормовая - 54000; и центральный (отстойник) - 15 000. В двух основных баках сохранялось давление 2,3 атмосферы, а отстойник был немного ниже для перекачки топлива. В отстойнике находился подкачивающий насос, построенный компанией Pesco Products, который подавал жидкий водород в двигатели под давлением 4,4 атмосферы. Двигатели устанавливались на законцовках крыла, а это означало, что жидкий водород должен был проходить через горячее крыло с температурой поверхности до 436 К. Конструкция предусматривала для этой цели изолированную линию с вакуумной рубашкой.

Было много неизвестного в конструкции водородных баков и других компонентов топлива, и для получения дополнительной информации были проведены многочисленные эксперименты. Они были выполнены в Форт-Робертсоне и включали полуразмерные модели отстойника, трубопроводы с вакуумной рубашкой для переноса водорода из резервуаров через горячие крылья к двигателям, бустерные насосы, клапаны, органы управления и другие компоненты. Они были испытаны в тепловых условиях, имитирующих условия полета. Позже был построен полномасштабный масляный насос, который был отправлен в компанию Pratt & Whitney для использования в испытаниях двигателей.

Для начала конструкторы Pratt & Whitney взяли серийный двигатель J-57 и переделали его под водородное питание.

Двигатель получался компактный, легкий и прекрасно работал, причем великолепно дросселировался - конструкторы снижали обороты до ситуации, когда лопатки воздушного вентилятора едва вращались. Однако модификация существующего турбореактивного двигателя не могла оптимизировать преимущества водорода. Нужно было делать "водородный" двигатель.

К середине августа 1956 года инженеры Pratt & Whitney разработали новый двигатель, работающий на водороде. Он получил обозначение «304». Жидкий водород закачивался под высоким давлением через теплообменник в кормовой части двигателя. Нагретый водород приводил в движение многоступенчатую турбину, которая через редуктор. приводил в действие многоступенчатый воздушный вентилятор. Вентилятор сжимает входящий воздух, основное рабочее тело двигателя. Часть водорода, выходящего из турбины, впрыскивалась и сжигалась в воздушном потоке за вентилятором.

Количество впрыскиваемого и сжигаемого водорода контролировалось для ограничения температуры дымовых газов, которые обеспечивали тепло для теплообменника, расположенного ниже по потоку. Оставшийся водород впрыскивали и сжигали в секции дожигания за теплообменником, а горячие газы и воздух расширялись через сопло, создавая тягу.

Двигатель был похож на Rex III, но намного проще, так как использовался только один теплообменник. Максимальный диаметр двигателя 304 составлял 203 сантиметра по сравнению со 150 сантиметрами, предложенными Гарретом для Rex III. Длина гондолы составляла 10,7 метра, масса - 2722 килограмма, тяга на высоте 30 500 метров - 21,4 килоньютона (4800 фунтов). и удельный расход топлива 0,082 кг / ньютон-час (0,8 фунта / фунт. часов).

Первый двигатель модели 304 был собран в Ист-Хартфорде, штат Коннектикут, 18 августа 1957 года.

В целом двигатели проработали 25,5 часов на водороде, и все свидетельствовало о том, что разработка идет удовлетворительно.

Однако время, отпущенное на проект Suntan заканчивалось.

Параллельно был построен завод, названный условно "Мама медведь" для производства жидкого водорода с производительностью 4,5 тонн/сутки, продуманы и решены вопросы по хранению и транспортировке, созданы машины для перевозки жидкого водорода и испытаны практически.

Далее был введен в эксплуатацию еще один завод, производительностью 27,2 тонны жидкого водорода в сутки. Этот завод, названный в шутку "Папа медведь", появился после закрытия проекта Suntan, но сыграл важную роль в будущей космической программе.

Вы все еще помните, что при испытании надежности хранения и транспортировке жидкого водорода "самый большой взрыв произошел при смешивании пол-литра жидкого кислорода с таким же объемом жидкого водорода." ? :)

Окончательные результаты проектных исследований были представлены Воздушному совету ВВС 12 июня 1958 года. По ряду причин, политическим и экономическим, важность проекта была понижена, и он был закрыт, но его наработки оказались очень нужными и важными для других проектов.

Ну а что сделал Келли Джонсон, папа U-2, после закрытия своего "водородного" проекта?

Этот вечный оптимист хмыкнул, вернулся к обычному топливу и разработал весьма успешный самолет-разведчик Lockheed SR-71 Blackbird. Умеющий разгоняться до 3,540 км/ч и летать на высоте 24 километра. На движках так понравившейся ему фирмы Pratt & Whitney J58. И первый старт двигателя J58 случился в декабре 1957 года.

Хотя технологии и оборудование Suntan не нашли применения в самолетах, вскоре они нашли применение в ракетных двигателях.

В 1958 году команда менеджеров Suntan начала поиск способов использования технологии, созданной в их проекте, а также такого оборудования, как подкачивающий насос и установки для сжижения водорода.

Одним из результатов было предложение использовать жидкий водород в ракетном двигателе для быстро развивающейся космической программы. Подобно восставшему из пепла фениксу, технологии и оборудование Suntan действительно сыграли важную роль в космической программе 1960-х годов.