«Основная задача этой лаборатории — изучение возможностей использования энергии холода, то есть, энергии, заложенной в криогенных веществах и продуктах. В лаборатории начата работа по созданию криогенного двигателя, в настоящее время идет серия испытаний одного из главных элементов создаваемого двигателя — системы хранения криогенного топлива», — рассказал заместитель директора Института двигателей и энергетических установок Самарского университета, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей и научный руководитель лаборатории криогенной техники Дмитрий Угланов.

Система хранения, разработанная самарскими учеными, создана на основе емкости с криогенной заправкой специальной конструкции, оснащенной различными датчиками и клапанами. В ходе лабораторных испытаний отрабатываются технологические процессы хранения криотоплива и использования низкопотенциальной энергии криопродуктов.

Ученые заполняют баллон жидким азотом, который благодаря теплоте окружающей среды нагревается и, превратившись в газ высокого давления, совершает полезную работу в расширительной машине. Кроме того, дополнительную энергию за счет перепада температур между криогенным рабочим телом и окружающей средой позволяет получить используемый в системе хранения каскад термоэлектрических генераторов.

«У данной системы хранения оригинальная конструкция, защищенная патентами на изобретение. Этот баллон уникален тем, что обычно подобные емкости предназначены для хранения либо газов высокого давления, либо криогенных рабочих тел в жидком состоянии. Наша же разработка позволяет нам хранить рабочие вещества или в жидком состоянии, или в газообразном (в зависимости от задачи данной системы) и дает возможность управлять временем регазификации для получения необходимых параметров состояния рабочего тела», — пояснил ученый.

По его словам, создание криогенного двигателя займет 3-4 года. В числе основных преимуществ такого двигателя — его экологичность, а также возможность использования в разработках специального назначения. Беспилотник с двигателем на криогенном топливе не будет оставлять тепловой след в небе и его нельзя будет отследить в темное время суток с помощью средств инфракрасного слежения в отличие от летательных аппаратов, использующих для создания тяги двигатели внутреннего сгорания или электродвигатели.

«Криогенный двигатель благодаря его исключительной экологичности можно будет применять, например, на транспортных средствах, предназначенных для использования в природных заповедниках. Также его можно использовать на беспилотных летательных аппаратах специального назначения — такие не будут оставлять за собой тепловой след в отличие от других аппаратов и их будет сложнее обнаружить», — сказал Дмитрий Угланов.

Историческая справка о развитии криогенных технологий в Самаре

Исследования в области применения криогенного топлива в авиации ведутся в Самаре (Куйбышеве) еще с 60-х годов прошлого века. В двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова был создан уникальный двигатель НК-88, работающий на жидком водороде.

Водород существенно превосходит авиационный керосин по теплотворной способности, при этом он абсолютно экологичен. В основной состав инженеров, работавших над этим двигателем, вошли выпускники Куйбышевского авиационного института (сейчас Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.Королева).

Двигатель НК-88 был установлен на экспериментальном самолете Ту-155, впервые поднявшемся в воздух 15 апреля 1988 года. Первый в мире самолет, использовавший водородное топливо, успешно прошел комплекс испытаний, совершив несколько международных перелетов по Европе, в том числе в немецкий Ганновер на конференцию по проблемам использования криогенного топлива в авиации.

Позднее был разработан проект самолета Ту-156 на двигателях НК-89, работавших на сжиженном природном газе, но из-за возникших сложностей в финансировании программа использования криогенного топлива в авиации была прекращена. В настоящее время двигатель НК-88 является экспонатом Центра истории авиационных двигателей Самарского университета.

В начале 2000-х годов сотрудниками кафедры теплотехники и тепловых двигателей и Научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета были начаты исследования по повышению энергоэффективности криогенных систем и установок за счет использования низкопотенциальной энергии криопродукта.

С 2020 года на базе НОЦ ГДИ активно развивается лаборатория криогенной техники. Основная цель лаборатории — расчет, проектирование и создание высокоэффективных энергетических установок и двигателей, работающих на криогенных топливах, в том числе СПГ. Научно-прикладные исследования лаборатории проводятся при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № FSSS-2020-0019), рассчитанной на 4 года.

Источник: «Самарский национальный исследовательский университет им С.П. Королева»