海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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冉冉升起的氢燃料飞机(上)(科普.原创) 精选

已有 2791 次阅读 2024-2-22 08:45 |系统分类:科普集锦

   沈海军

      当前,全球航空业产生的二氧化碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。作为零碳清洁能源,氢因具备能量密度高(相当于航空煤油的3倍)且燃烧产物为水等低碳、绿色的优势,正成为航空业实现“脱碳”的重要手段,受到各国政府、相关机构和航空企业的高度重视。

  为应对全球变暖,实现“双碳”目标,2023年10月,我国工业信息部、科技部、财政部、中国民航局等四部门联合印发了《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035年)》(简称《纲要》)。《纲要》中指出,要加快电动通用航空器系列化,谱系化,突破高能量密度锂电池、高比功率氢燃料电池、高效率电推进系统、高推重比涵道风扇,、先进气动布局涵道风扇,太阳能无人机等关键技术;到2025年显著提高国产民机节能、减排、降噪性能,全面提升航空绿色制造水平。显然,氢能源飞机,连同电动飞机、太阳能飞机,已被我国并列为未来绿色飞行的几大重要发展方向。

    一、氢燃料飞机的历史

      氢燃料飞机的概念由来已久。早在1939年8月,世界上首台喷气式飞机He-178在德国成功完成首飞。该飞机使用了一台汽油喷气发动机。然而,该发动机却是基于一款氢燃料喷气发动机发展而来的。该燃氢喷气发动机于1937年3月首次完成地面测试,只运行了不到5分钟,直到氢气耗尽。本次尝试表明,涡轮喷气发动机是可以烧氢气运行的,尽管涡轮金属部件在试验中被严重灼损。

      1955年,美国军方委托刘易斯研究中心着手论证液氢动力飞机的可行性。为此,还提供了一架B-57轰炸机作为试验平台。B-57飞机有两台喷气发动机,其中一台经过改造后,既能燃烧传统燃油,也能燃烧液氢燃料。液氢燃料版的发动机测试表明,氢燃料具有更高的比热值,较常规航空煤油工况,喷气发动机能让产生更大的推力。

       1956年,美国普惠公司决定研发一种带加力燃烧室的液氢喷气发动机-“Suntan 304”。该动力系统的液氢是在大气压力和约-250°C低温下储存的,额定推力为2.1吨。1956年至 1959年间,5台304型液氢发动机原型机先后被制造出来,此后便开展了一系列的地面试验。测试结果表明,该液氢发动机涡轮入口温度曲线平坦,优于现有航空煤油发动机。尽管304 发动机取得了成功,但配套装机的飞机却无法解决好低温液氢燃料燃料箱问题而失败了。

      上世纪70年代末,石油危机席卷全球,清洁航空燃料备受各国关注,低温液化氢气燃料因环保、高效再次进入人们视野。于是苏联开始尝试研制液氢燃料飞机,液氢燃料发动机率先被用于图-155型飞机。图-155是全球第一架使用氢作燃料的飞机,属于图-154客机的改进型。图-154是由苏联图波列夫设计局研制的三发中程客机,曾是俄系喷气客机中的佼佼者。为了使用液氢燃料,图-154的配置发生了重大变化。机身后部增设了一个气密舱,放置有一个20立方米的低温液氢罐,液氢采用真空隔热,可使储罐内温度长期保持在约零下253°C。飞机右舷的引擎被更换为液氢燃料的NK-88型发动机。作为世界上第一架使用液氢燃料飞机,图-155于1988年4月进行了首飞。图-155的成功试飞证明了低温航空的可能性,为后续改进航空低温燃料系统提供了宝贵经验。不幸的是,当时技术和经济水平限制,液氢燃料价格太高,这个项目没能够继续进行下去。

       20世纪90年代,苏联解体后,俄罗斯发生了严重的经济危机,于是被迫采取与德国合作的方式继续探究氢燃料飞机。德国的宇航公司和俄罗斯曾共同提出过一个被称为“低温燃料飞机”的研制计划,打算在一架Do-328飞机上试验氢燃料动力。德国甚至还设想着将同样的液氢燃料发动机装在A310客机上进行试验。但由于技术于资金问题,双方合作未能达到预期成果。此后,氢燃料飞机开始进入十余年的“消沉期”。直到氢燃料电池技术的出现,氢燃料才又开始得到航空领域的青睐。

       2008年3月,波音公司宣布成功试飞了一款氢燃料电池动力的小型飞机,并称这是世界航空史上的首例。波音公司的这款小型飞机由奥地利的“钻石”(Diamond)双座螺旋桨动力滑翔机改装而成,飞机内安装了质子交换膜氢燃料电池和锂电池,翼展16.3米,机身长6.5米,重约800公斤,可容纳两人。试飞中,机上只有飞行员一人。机舱内,传统电池安放于空座位上,飞行员的背后安放有一个类似潜水员使用的氧气罐用以储氢。飞机起飞和爬升阶段使用传统电池与氢燃料电池混合供电;爬升至1000米巡航高度后,转为全氢燃料电池提供动力,整个飞行持续了约20分钟,时速在100公里左右。这一技术对波音公司意义重大,也让航空工业的未来充满“绿色希望”。

       2012年,在美国导弹防御局的资助下,波音公司“幻影眼”无人机使用液氢作为能源开展了试飞。该机是一款液氢高空超长航时无人机,升限可达19.8公里,使用2台150马力的液氢发动机,使用螺旋桨推进;主要用于长时间情报,侦察和信息以及通讯任务,可以携带202公斤载荷飞行整整4天。这款飞机设计独特,外观看像一个超长机翼下面挂了一个超大号奶瓶,起飞重量4.4吨,巡航速度约270公里。此外,这款飞机最大的特色就是,飞机要依靠汽车助推才能比较正常起飞。这款新颖的液氢飞机经过几年试飞之后,终因液氢易燃易爆,存储温度超低,燃料箱体积过大等问题,最终放弃。

       2018年10月,新加坡氢能源系统公司发布了一款4座新概念飞行器“元素1号”,其动力采用了全新的氢燃料电池和分布式电推进结合设计方案,机翼上安装了14台功率为5-8千瓦的电动机,每台电动机后面都有一个氢燃料罐,这种分布式储能可行г黾尤剂闲俊G饽茉聪低彻拘疲霸�1号”可选用气态氢或液态氢作为燃料,后者有可望将飞机航时增加到20小时,航程可达5000公里!

二、氢动力飞机的技术途径

      氢燃料用作航空动力有两种基本途径:一是通过对传统涡轮发动机进行改进,使其能够燃烧氢燃料;二是通过氢燃料电池发电,由电机带动推进器(风扇或螺旋桨)产生动力。

    1)氢涡轮发动机

      这类发动机一般包含两种形式,即所谓的氢涡轮风扇发动机和氢涡轮电动风扇发动机。氢涡轮风扇发动机的结构与现役航空涡轮发动机基本相同,氢燃料在燃烧室内燃烧,推动涡轮并带动风扇产生推力;氢涡轮电动风扇发动机则是通过涡轮带动发电机发电,电驱动电机带动风扇产生推力。

      现有传统航空发动机结构并不适合燃氢,氢燃料燃烧时温度高、火焰传播快,容易产生过量氮氧化物且容易发生回火现象,导致无法实现氢的稳定燃烧。为了提高氢燃料发动机的工作效率,需要对传统发动机的燃烧室、燃料喷射与混合装置、热循环和管理系统等进行全面改造甚至重新设计,才能满足氢燃料的使用要求。

       相较于下文的氢燃料电池发动机,氢涡轮风扇发动机更适合大型飞机,但技术发展缓慢,这跟氢燃料与传统航空煤油特性上截然不同直接相关。航空发动机从燃油改为燃氢,对结构设计尤其是燃烧室的设计带来了新的挑战。20世纪80年代,苏联便在航空发动机上使用氢燃料开展了试验研究,在图-155飞机上成功测试了NK-88双燃料(煤油和氢)发动机。20世纪90年代后,氢能飞机的研究从军用扩展至民用。2000年,欧盟资助了一项为期两年的低温民用飞机项目,系统研究了液氢在民用航空亚声速飞行领域使用液氢的可能性,研究内容包括传统结构燃氢发动机和非传统结构燃氢发动机。2020年,空客公司曾提出了氢能飞机方案,但至今燃氢航空发动机的研究仍未见有重大进展。

      2)氢燃料电池发动机

       燃料电池类似于传统电池,具有阳极和阴极。氢气通过阳极进入电池。然后氢原子与催化剂(通常为铂,即我们常说的白金)反应,分裂成电子和质子。来自环境空气的氧气进入燃料电池的另一侧并通过阴极。然后带正电的质子通过电解质膜(也叫做子交换膜(PEM),它能够将质子和电子进行分离并只允许质子通过。带负电的电子移出电池,阳极和阴极之间形成电位差,便可给发动机发电、供电。质子和氧气在阴极结合,产生水。氢在燃料电池中通过电化学反应直接产生电并排出水,电动机带动风扇(或螺旋桨)产生推力。以上就是氢燃料电池发动机的工作原理。

      与氢涡轮发动机相比,氢燃料电池内部氢与氧电化学反应环境更纯净,极少产生水蒸气凝结核,使飞行对气候的影响可降低75%-90%。不过,目前氢燃料电池技术还存在能量密度低、使用寿命短和单体输出功率低等问题,需要通过采用新型电极材料、电池一体化结构设计,高效的水和热管理和运行控制等方法,进一步提高电池功率密度、延长寿命。基于以上原因,波音研究与技术部的工程师认为,目前的氢燃料电池技术水平,只能为小型飞机提供飞行动力或者作为大型飞机提供辅助动力,尚不能作为大型客机提供主要动力。

       理论上,氢燃料电池可以提供更高的效率和更低的碳排放,前景广阔,但目前代价仍然比传统的内燃机和电池动力系统要高得多,成本问题急需解决。

       3)氢储存技术

        氢气储存技术是氢能航空发展的关键,也是目前限制氢能大规模应用的技术瓶颈。目前研究的氢储存技术主要包括高压气态储氢、液态储氢和储氢材料储氢等三种方式。高压气态储氢技术是将氢气压缩到耐高压的储气罐中,储气罐工作压力一般在35-70MPa之间。高压气罐的结构类型是氢能储存的关键因素,一般分为全金属结构(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕结构(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕结构(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕结构(Ⅳ型)。目前国外已经实现70MPa压力IV型储氢罐的应用,但该氢气储存技术的缺点在于体积比容量低、储氢量少,安全性能差。液态储氢,是将氢气低温液化后再封装储存。液态氢能量可达到10.05毫焦/升,是50MPa下气态氢的2倍。因此,相比于气态存储,液态氢气的存储具有能量密度高、储氢密度大、运输方便的优势。但氢气液化后的沸点温度很低,只有-252.78℃,即在-252℃以下才能液化,与正常环境的温度差值较大,所以对液氢存储容器有很高的绝热和密封要求,耗能大。目前,国内缺乏液氢的相关技术标准和政策规范。储氢材料储氢技术是利用稀土合金、有机液体材料等通过吸附储氢、化学储氢来实现氢的储存与释放,当下国内外产业化很少,基本处于小规模实验阶段。

未完待续

--《百科知识》约稿



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