Рынок углеводородов не только играет важнейшую роль в экономике, но и определяет основные принципы мировой политики. Зачастую именно энергоносители дают толчок к развитию целых регионов и направлений бизнеса. В нашем проекте «ТЭК 360» мы рассмотрим ключевые тренды отрасли, перспективы ее развития, влияние на другие сферы экономик.
Тема
месяца
Энергия движения

От паролета Можайского до самолетов на природном газе: поиск идеального топлива

Авиационный транспорт появился буквально на глазах одного поколения. Еще живут на земле люди, которые родились до появления первых регулярных воздушных линий. То, как выглядят сейчас самолеты, продиктовано не только аэродинамикой, но и тем, какое топливо для них используют.

В истории авиационного топлива практически нет «твердого» периода. Оно просто никак не годилось для использования в летательных аппаратах любого типа. Первые дирижабли оснащались пропеллерами с ручным приводом, а когда в 1872 году в Германии решили заменить силу восьми мужчин на машину, то выбрали двигатель Ленуара мощностью в три с половиной лошадиные силы, который работал на светильном газе. 

Даже в самолете Александра Можайского, в котором использовался паровой двигатель, обогрев котлов производился керосином. Другое дело, что двигатель был маломощным и слишком тяжелым. Поэтому появление настоящих летающих машин тесно связано с разработкой достаточно мощных и легких двигателей. 

Братья Райт, создавая свой самолет, прекрасно понимали важность соотношения мощности и массы самого двигателя. Они перебрали несколько моделей, которые к тому моменту уже были на рынке, но под конец решили сделать мотор самостоятельно. В итоге получился бензиновый мотор мощностью почти в полтора десятка лошадиных сил — даже большей мощности, чем они предполагали. 

Стоит отметить, что аэроплан братьев Райт, который полетел в 1903 году, стартовал с использованием катапульты и по проложенным рельсам. Первый в мире самостоятельный полет в полном смысле этого слова — с разбегом по траве на своих колесах и такой же посадкой — совершил бразилец Альберто Сантос-Дюмон. В 1906 году его аэроплан 14-бис взлетел во Франции. Мощность двигателя на самолете Сантос-Дюмона была уже 50 лошадиных сил. Позже он создал серию аэропланов «Демуазель», конструкцию которых он широко пропагандировал. Специалисты рекомендовали всем любителям авиации строить его аэропланы как самые простые и в постройке и в управлении. 

В основном в то время использовались моторы, разработанные для автомобилей, у которых цилиндры выстраивались в ряд или же располагались в виде латинской буквы V. Поскольку мощность закономерно зависела в основном от объема двигателей, желаемое повышение мощности приводило к росту числа цилиндров и соответственно массы. 

Первый прорыв в этой области был связан с появлением ротативного двигателя. У двигателя этого типа вал крепится неподвижно на корпусе самолета, а сам двигатель с радиально расположенными цилиндрами вращается вместе с воздушным винтом. Огромный вклад в разработку этих двигателей внесла французская компания «Гном», и в 1909 году их мотор поднялся в воздух. 

Особенностью «гномов» была необходимость добавлять в бензин смазку. Тогда использовалось лучшее касторовое масло, в результате чего стоимость бензино-масляной смеси была достаточно велика. Расход топлива во время работы было трудно регулировать, и эти моторы отличались изрядной прожорливостью, но также и высоким соотношением мощности к весу. Их «золотой век» — Первая мировая война, когда вопросы экономичности отодвигались на второй план. Но с ее окончанием потребовалось искать какой-то новый путь для стремительно развивающейся гражданской авиации.

Увеличение объема двигателя ради повышения мощности исчерпало себя, и инженеры стали пристальнее смотреть на качество авиационного топлива. Речь уже не шла о смеси бензина с растительным маслом — требовался продукт очень чистый, стойкий к детонации, который можно было бы использовать в двигателях с высокой степенью сжатия. Потребности авиации были вызовом для химиков. 

Сейчас трудно представить, что сразу после окончания Первой мировой войны признаком хорошего бензина было отсутствие осадков, которые могли оставаться после сгорания в моторе. Поэтому 20-е годы ХХ века ознаменовались углубленным исследованием нефтепродуктов с целью получения бензинов самого высшего качества. Обнаружилось, что далеко не все нефти способны дать на выходе бензин необходимых свойств. Появилось понятие устойчивости топлива к детонации, то есть к самостоятельному воспламенению во время сжатия. Чем выше эта способность, выражаемая в октановых числах, тем качественнее топливо и тем большую мощность можно «выжать» из двигателя. 

Наличие или отсутствие высокооктанового бензина в годы Второй мировой войны приобрело судьбоносное значение. Его создание связано с именем Владимира Ипатьева, блистательного ученого, который смог создать авиационный бензин с октановым числом 100. До конца 20-х годов он успешно работал в СССР, пока на него не навесили ярлык «троцкиста». Ипатьев вынужден был покинуть СССР и стал работать в США. 

Испытания бензина-100, проведенные американскими специалистами, показали, что он позволял на треть уменьшить пробег самолета при взлете и его скороподьемность, а также на четверть увеличить полезную нагрузку. Это подтвердилось, когда высокооктановый бензин стал поступать в Британию, — английские «Спитфайры», летавшие на 100-окатновом бензине, показывали лучшие динамические характеристики, чем германские «Мессершмитты-109», летавшие на бензине-87. 

Когда Гитлер атаковал СССР, бензин Ипатьева стал поставляться в СССР наряду со специальными присадками для повышения октанового числа советских бензинов. Это удивительный пример зависимости целого рода войск от качества топлива. 

После Второй мировой войны авиация стала одним из самых быстрорастущих видов пассажирского транспорта. Однако проблемы с авиационным бензином не исчезли, как, впрочем, и технический потолок поршневых двигателей. И в 50-е годы ХХ века им на смену пришли двигатели нового типа — турбореактивные. И этому новому мотору потребовалось топливо, которое никак не вязалось с представлениями о прогрессе, — керосин.

Авиационный керосин оказался гораздо более «покладистым» видом топлива, нежели авиабензин. Это более тяжелая нефтяная фракция, для его производства можно использовать гораздо более широкий спектр нефти, в том числе сернистые. Эта разновидность топлива оказалась гораздо более выгодной для коммерческой авиации, чем любая другая. 

Однако рост цен на нефть, который наблюдался как в 70-е, так и в нулевые годы, вызвал стремление найти более дешевую замену керосину. Например, рассматриваются варианты более широкого использования турбовинтовых систем, так как они гораздо экономичнее, чем турбореактивные. Ищутся способы облегчения массы самого самолета, чтобы также уменьшить расход топлива. 

Делались попытки и перевести двигатели на другое топливо. Например, на тот же природный газ. В 1988 году в СССР в воздух поднялся самолет Ту-155, работавший на водороде, а затем и на природном газе. Но то, что получается на земле и тем более на море, оказалось не столь удобным в авиации. Поэтому век керосина, судя по всему, еще будет очень долог, но пролетать на одной заправке самолеты смогут все дальше и дальше.