Исследования самарских и шведских ученых помогут снизить стоимость авиатоплива

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева совместно с коллегами из Лундского университета (Швеция) провели серию расчетов и экспериментов, доказавших возможность использования в качестве авиационного топлива смесей керосина и этанола, получаемого из возобновляемых источников. Работы проводились в рамках Федеральной целевой программы* по теме научного исследования "Разработка и валидация методов моделирования экологических характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей на основе детальной химической кинетики окисления суррогатов керосина". Итоговые результаты как теоретических исследований, так и проведенных экспериментов опубликованы в одном из наиболее авторитетных в мире научных журналов в области физики и химии горения — Combustion and Flame.**

Использование смесей керосина и биотоплива должно в перспективе удешевить стоимость заправки авиатранспорта и улучшить его экологичность. По данным Аргоннской национальной лаборатории (старейшего национального исследовательского центра Министерства энергетики США), даже 10-процентное содержание этанола в топливной смеси снижает выбросы парниковых газов в атмосферу на 12-19% по сравнению с выбросами от обычного бензина.

"Наша совместная с самарскими коллегами работа была посвящена исследованию добавок, смесей компонентов керосина с этанолом", — рассказал профессор Лундского университета Александр Коннов. — Этанол — это биотопливо, и для того, чтобы постепенно переходить к восстанавливаемым источникам энергии, нужно знать, как будут гореть такие смеси, насколько они подходят для существующих устройств горения. Нельзя взять вместо керосина и использовать один лишь этанол, а вот смеси — вполне возможно. Сейчас в Европейском Союзе не только допускается, но и рекомендуется до 5% этанола добавлять во все бензины для автомобилей. Мы работаем прежде всего над авиатехнологиями, и пытаемся увеличить процентное содержание добавок биотоплива в авиационный керосин".

Как отметил научный руководитель направления "Процессы горения в камерах сгорания" НОЦ газодинамических исследований Самарского университета, к.т.н Сергей Матвеев, глобальная цель проекта — найти методы повышения эффективности проектирования и доводки двигателей, в частности, авиационных газотурбинных. Но сама методология исследования может быть использована в самых разных отраслях — от теплоэнергетики до двигателей внутреннего сгорания. Главное — качественное моделирование экологических характеристик двигателя", — пояснил Сергей Матвеев.

Для проведения расчетов ученые задействовали мощности суперкомпьютеров, кроме того в Самарском университете во взаимодействии с коллегами из Швеции и Голландии была создана специальная установка "Heat Flux" по определению нормальной скорости распространения пламени, в мире существует всего несколько подобных установок. На "Heat Flux" была проведена большая часть экспериментальных работ.

По словам профессора Александра Коннова, разработанная учеными химическая модель горения смеси керосина и различных биотоплив позволит найти оптимальный вариант топливных смесей, обладающих всеми необходимыми свойствами керосина, но включающих в себя биотопливо.

"Эту модель смогут использовать инженеры, которые занимаются разработкой авиадвигателей. Они будут включать эту модель в свои расчеты, чтобы правильно рассчитывать рабочий процесс в камерах сгорания, их эффективность и т.д. Мы обеспечим их нашей химической моделью, а они будут разрабатывать уже конкретные устройства", — заключил ученый.

Для справки 

Вопрос поиска новых видов топлива для авиации с каждым годом становится все более актуальным. В качестве будущей альтернативы авиационному керосину все чаще рассматривается биотопливо, то есть, топливо, изготавливаемое, например, из растительного сырья или из органических отходов промышленности. В отличие от нефтепродуктов, такой вид топлива более экологичен, от него меньше вредных выбросов в атмосферу, кроме того, биотопливо дешевле и производится из возобновляемых материалов. Так, согласно данным из открытых источников, стоимость литра биоэтанола на автомобильной заправке в Бразилии, в среднем, ниже 50 центов США при себестоимости 15-25 центов. А стоимость литра авиакеросина в российских аэропортах, в среднем, около 80 центов, и это без учета НДС. Однако полностью заменить авиационный керосин биотопливом пока не представляется возможным, хотя такие изыскания в настоящее время и ведутся. 

* - Научно-исследовательские работы по моделированию смесей керосина и биотоплива были начаты в рамках проекта федеральной целевой программы (ФЦП) "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России", рассчитанной на 2014-2020 годы, и были посвящены прогнозированию экологических характеристик разрабатываемых российских авиационных двигателей. 

Глобальная цель проекта — повышение конкурентоспособности российских авиационных двигателей путем создания эффективных методов прогнозирования экологических характеристик камер сгорания на стадиях проектирования и доводки в рамках совместных научных исследований с Lund University (г. Лунд, Швеция), интеграция российской науки в общеевропейскую научно-исследовательскую сферу, расширение базы знаний и развитие передовых технологий в области двигателестроения.

По завершении успешно выполненных работ по ФЦП, ученые Самарского университета продолжили исследования, но уже в рамках гранта Российского научного фонда (номер проекта:19-79-00325, код типа проекта: МУ(2019)) по теме "Разработка суррогата авиационного керосина для определения эмиссии полициклических ароматических углеводородов двигателями гражданской авиации" (в рамках конкурса "Проведение инициативных исследований молодыми учеными" Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными").

** - Научный журнал Combustion and Flame — это официальное издание Международного института горения. В базе Scopus журнал индексируется с 1957 года по настоящее время. По данным SCImago Journal Rank, издание имеет самый высокий квартиль Q1 по всем научным областям, определяемым в базе: Chemical Engineering, Chemistry, Energy Engineering and Power Technology, Fuel Technology. География авторов, публикующих результаты своих научных исследований в журнале Combustion and Flame, разнообразна: Германия, США, Китай, Великобритания и другие.

Фото: Даниил Бабонин