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

Предыстория. 1936 год. Эрнст Хейнкель (немецкий авиаконструктор, основатель фирмы Heinkel. 154 разработанных конструкции самолетов, 13 разработанных катапульт, 5 разработанных реактивных самолетов) дает задание Хансу фон Охайну (первый в мире турбореактивный самолет He 178  с двигателем HeS 3 фон Охайна. ) разработать турбореактивный двигатель.

В 1937 году фон Охайн обнаружил, что его экспериментальный турбореактивный двигатель хорошо работает на газообразном водороде...

****

В 50х годах прошлого века ВВС США заинтересовались использованием водорода в качестве топлива для своих новых и перспективных самолетов.

Для проверки идеи, ее конструкторской проработки и практических выводов - можно или нельзя летать на водороде -  ВВС обратились к NACA (будущее NASA).

Поскольку в NACA водородом в качестве топлива активно занимался зам.директора Эйб Сильверстайн, и были проведены все теоретические расчеты и лабораторные исследования, а так же были уже продуманы способы практических испытаний, интересы ВВС США и NACA и взгляды на перспективность водорода как горючего для авиационных двигателей совпадали почти идеально.

NACA в то время считало, что для полета на сверх. высотах (выше 20 км) водород является практически идеальным горючим для самолета. И это нужно было проверить на практике.

Соглашение с NACA было достигнуто  в декабре 1955 года, проект был засекречен и получил название Project Bee. Руководителем проекта был назначен зам.директор Эйб Сильверстайн.

Эйб работал в NACA с 1929 года, и к 1955 году имел за плечами отменный послужной список - во время второй мировой войны и после он занимался исследованиями в аэродинамике, аэродинамическими трубами, и внес вклад в повышение скоростных характеристик самолетов военной авиации США, сверхзвуковых двигателей и прямоточных воздушно реактивных двигателей самолетов. Успев даже совместо с Холлом написать и выпустить в 1955 году книгу - Эйб Сильверштейн и Элдон Холл, «Жидкий водород в качестве реактивного топлива для высотных самолетов». (NACA RM E55C282. 15 апреля 1955 г.)

Для проекта был выбран двухмоторный бомбардировщик B-57B с турбореактивными двигателями Curtiss Wright J-65.

Основной план состоял в том, чтобы оборудовать самолет водородной топливной системой, независимой от его штатной топливной системы, и модифицировать один двигатель для работы на водороде, а также на обычном топливе, которым был JP-4 (керосин). Самолет должен был взлетать и набирать высоту на штатном топливе.

После достижения горизонтального полета на высоте около 16400 метров топливо одного двигателя должно было быть переключено с JP-4 на водород. (Почти так же было сделано через 30 лет в Ту-155, только в Ту-155 на водород переключали один двигатель из трех, и не штатный а специально разработанный).

Когда эксперимент с водородом будет завершен, поток топлива будет переключен обратно на JP-4, и самолет вернется на базу в нормальных условиях эксплуатации.

Полеты выполнялись летчиками-испытателями лаборатории во главе с Уильямом В. (Эб) Гофом-младшим, четвертым пилотом ВМС, получившим квалификацию вертолетчика, и тридцатым пилотом реактивных самолетов; он присоединился к NACA в качестве летчика-испытателя после войны. К началу мая Гоф проверил B-57 на заводе Glenn L. Martin в Балтиморе, и ВВС переправили B-57 в Кливленд для экспериментов.

ВВС предоставили мобильное оборудование для сжижения водорода и резервуары из программы водородной бомбы. Гленн Хеннингс получил оборудование в хорошем рабочем состоянии и вскоре начал производить жидкий водород для различных лабораторных нужд. 

В первой половине 1956 года в рамках другой программы ВВС подписали контракт на строительство в Пейнсвилле, штат Огайо, завода по сжижению водорода производительностью 680 кг в день. Когда этот завод начал производство в конце 1956 года, он обеспечивал все потребности Льюиса в водороде.

Параллельно с разработкой летной системы для подачи и управления водородом в двигатель был проведен ряд экспериментов с одиночными ТРД и полномасштабными двигателями, использующими газообразный водород в качестве топлива. Характеристики двигателя были высокими и нечувствительными к начальной температуре водорода.

В других исследованиях водород в камере сгорания размерами 2/3 длины стандартной, превзошел JP-4 и также работал на высоте 26000, т.е. работал на 6000 метров выше предела для JP-4. Это означало, что на водороде был возможен более короткий двигатель с существенной экономией массы.

В другом исследовании группа под руководством Уильяма А. Флеминга сравнила высотные характеристики двух турбореактивных двигателей, один на водороде, а другой JP-4. Двигатели были одноступенчатыми, осевые, развивали тягу 33-45 килоньютон (7500-10000 фунтов).

Водород обеспечил стабильную работу на пределе возможностей стенда - около 27400 метров и 0,8 Маха. Для сравнения: тот же двигатель с JP-4 работал на высоте от 3000 до 4500 метров ниже. Кроме того, удельный расход топлива (массовый расход топлива в час, деленный на тягу) водорода составлял 40 процентов от расхода топлива JP-4.

Сильверстайн хотел тщательно проверить двигатель и систему управления, используя как JP-4, так и водородное топливо в высотной аэродинамической трубе перед попыткой полета. Это было выполнено Гарольдом Р. Кауфманом и его сотрудниками, в том числе летчиком-испытателем Альгранти.

Водородная система состояла из топливного бака с крылом на конце крыла из нержавеющей стали, теплообменника, в котором проходил воздух для испарения жидкого водорода, и регулятора для управления потоком водорода в двигатель. Турбореактивный двигатель J-65 был модифицирован за счет добавления водородного коллектора и инжекторных трубок. Модификация не меняла штатную топливную систему двигателя на JP-4.

Кауфман сообщил, что для JP-4 максимальная высота стабильного горения составляла около 20000 метров, а затухание пламени произошло на высоте 23000 метров. Наоборот, водород оставался стабильным на пределе возможностей установки на высоте 27000 метров при номинальной скорости и температуре полета. Тяга была на 2–4 процента выше, а удельный расход топлива на 60–70 процентов ниже, чем у топлива JP-4.25

В ходе имитационных летных испытаний было выполнено 38 переходов с топлива JP-4 на водород. Более трех четвертей из них были удовлетворительными. У других были некоторые вариации оборотов двигателя, но они были настолько малы и непродолжительны, что инженеры полагали, что это не окажет отрицательного влияния на летно-технические характеристики самолета. Эти удовлетворительные результаты в барокамере открыли путь для испытаний водородной системы на B-57.

Бак с водородным топливом на левом крыле самолета имел длину 6,2 метра и объем 1,7 куб.

Бак из нержавеющей стали был рассчитан на давление 3,4 атмосферы и изолирован 5-сантиметровым слоем пенопласта, покрытого алюминиевой фольгой и заключенного в покрытие из стекловолокна. На противоположном крыле находился запас гелия, состоящий из 24 сфер из стекловолокна, заряженных до 200 атмосфер.

Гелий использовался для повышения давления в резервуаре с водородом и для продувки. Теплообменник для испарения жидкого водорода, регулятор потока и коллектор для подачи газообразного водорода в двигатель составляли остальную часть водородной системы.

С приближением Рождества 1956 года пилоты Гоф и Альгранти совершили серию проверочных полетов без водорода.

Настало время проверить, будет ли это работать, и будет ли работать вообще.

-А теперь со всем этим хламом мы попробуем взлететь... наверное думали пилоты и конструкторы :)

23 декабря 1956 года

Симпкинсон произвел последнюю проверку приборов, и B-57 был заправлен JP-4.

В бак законцовки крыла было загружено 94 килограмма жидкого водорода.

Закончив все приготовления, Гоф начал рулить. Его сопровождал "преследующий" самолет ВВС, оснащенный фотоаппаратом.

Когда B-57 занял позицию для взлета, Альгранти поддерживал давление в баке с жидким водородом. При закрытом вентиляционном клапане испарение небольшого количества водорода вызвало повышение давления в газовой полости над жидким водородом.

Испарение было вызвано утечкой тепла через изоляцию, что неизбежно при практической установке.

Из наземных испытаний Альгранти знал, что давление вырастет с 1 до 3,5 атмосфер примерно за пять минут, и ему пришлось вручную выпустить воздух из резервуара, когда давление начало подниматься выше 3,5 атмосфер.

Во время руления он заметил, что скорость нарастания давления значительно ниже, чем при наземных испытаниях; записи прибора показали, что всплеск и перемешивание водорода во время руления замедлили рост давления в два раза. Во время взлета давление в баллоне резко упало от всплесков в баке. Однако после того, как он поднялся в воздух, всплески прекратились, и давление начало расти примерно с той же скоростью, что и при стационарных испытаниях.

Это явление было вызвано температурными градиентами и стратификацией жидкого водорода и его паров и позже стало предметом детального исследования.

Взлет и набор высоты до крейсерской высоты 15 200 метров заняли почти час, и за это время Альгранти 8 раз вентилировал бак, чтобы давление оставалось в пределах нормы. Это привело к потере около 16 процентов водорода.

По сигналу Альгранти перешел с JP-4 на водород.

Двигатель реагировал превышением скорости и сильной вибрацией.

Пораженные пилоты быстро отключили его, прочистили трубопроводы и слили жидкий водород в бак крыла.  На B-57 было сложно летать на одном двигателе, но подготовка Гофа учитывала это обстоятельство. Эксперимент проводился над озером Эри, и погода испортилась. Гоф попросил самолет, идущий за ним, вернутся, но пилот решил сопровождать его обратно в аэропорт Кливленда. Они приземлились бок о бок на взлетно-посадочных полосах под небольшим дождем.

Хотя первый полет был неудачным для работы двигателя на водороде в течение длительного периода, он успешно продемонстрировал, что с водородом можно безопасно обращаться.

Кроме того, были получены данные о явлении термического расслоения водорода в резервуарах.

Второй полет также был успешным лишь частично. Переход с JP-4 на водород прошел успешно, но недостаточный поток водорода помешал удовлетворительной работе двигателя на высоких оборотах. И снова основная часть водорода была сброшена без происшествий. Слив водорода за борт занял менее 3 минут, при этом водород образовал плотный шлейф, который исчезал  примерно в 6 метрах от бака.

Конструкторы морщили лбы, инженеры сыпали идеями. Нормально. Машинка учится летать, допиливаем и снова пробуем.

13 февраля 1957 года был совершен первый из трех успешных полетов, и топливная система заработала исправно.

Переход на водород производился в два этапа.

Сначала продували водородные линии, затем двигатель работал на JP-4 и газообразном водороде одновременно. После двух минут работы со смесью Альгранти переключился на только водород. Переход был относительно плавным, заметного изменение частоты вращения двигателя или температуры выхлопной трубы не наблюдалось.

Двигатель проработал около 20 минут на водороде. Пилоты обнаружили, что двигатель хорошо реагирует на изменение положения дроссельной заслонки при использовании водорода. Когда запас почти иссяк, скорость начала падать. Когда это стало очевидным, Альгранти снова переключился на JP-4, и двигатель плавно разогнался до своей рабочей скорости. Двигатель, сжигающий водород, оставлял плотный и устойчивый след конденсации, в то время как другой двигатель, работавший на JP-4, не оставлял следов.

26 апреля Сильверстайн провел специальную конференцию, чтобы сообщить о том, что выявил проект Bee в практике и теории использовании водорода в полете.

175 участников заслушали 7 докладов 19-ти членов команды проекта. Они касались потребления водорода, проблем с заправкой, заправки самолетов, топливной системы самолета и летных экспериментов. Результаты также были представлены в серии отчетов об исследованиях, опубликованных позже.

Первая серия полетов водородного B-57 была выполнена с системой наддувом гелием, чтобы направить жидкий водород из бака на законцовке крыла в двигатели.

Для этого требовался достаточно тяжелый бак.

Позже был разработан водородный насос, который позволил уменьшить вес бака, что более чем компенсировало вес насоса. Арнольд Бирман и Роберт Коль разработали пятицилиндровый поршневой насос, приводимый в действие гидравлическим двигателем, для установки в баке с жидким водородом на законцовке крыла.

Летные эксперименты с насосом продлены до 1959 года. Было совершено три успешных полета. Хотя скорость насоса и давление нагнетания менялись, регулятор водорода поддерживал постоянную скорость двигателя во время работы с водородом. Все переходы с JP-4 на водород, сжигание водорода и переход обратно на JP-4 были выполнены без происшествий.

Возможность использования жидкого водорода в полете была с блеском продемонстрирована.