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科普 | 民机为什么要用液氢?

科普 | 民机为什么要用液氢? 中科富海
2022-05-10
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民机为什么要用液氢?


氢的重量能量密度为 33.3 kWh/kg,而煤油为 12 kWh/kg。正常压力和温度条件下,氢的密度为 0.090kg/
。在 700 巴(是正常大气压的 700 倍)下,氢的密度为 42kg / 。在这个压力下,一个 125 升的油箱可以储存 5 公斤的氢气。在-252.87°C 和 1.013 巴下,液态氢的密度接近 71 kg/。在这个压力下,一个 75 升的油箱可以储存 5 公斤的氢气。

储存在低温罐中的液态氢有助于进一步减少体积
  • 常温、常压下 3000 升的气态氢,相当于 1 升航空煤油相同的能量。
  • 常温、700 巴压力下 6 升的气态氢,相当于 1 升航空煤油相同的能量。
  • 252.87°C 和 1.013 巴压力下 4 升(1.05 加仑)的液氢足以提供与 1 升航空煤油相同的能量。

从以上数据可以看出,在相同能量前提下,存储液氢(-252.87°C)所需的存储罐体积最小。由于民机外形受空气动力的约束,储罐体积越小越便于在飞机内部安装。

低温(-252.87°C)液氢存储罐主要技术问题?


1.保持罐内液氢不超过-253°C。为此,目前采取热水瓶式,内、外罐之间抽真空结构。内罐由碳纤维增强树脂复合材料制成。外罐含有多层特殊绝热层。



这种结构引申出一个问题。外罐给整个液氢系统增加了可观的重量。 例如, GTL 液氢存储罐,复合材料内罐重 12 公斤。但是外罐和其他系统却有 55 公斤。减少这部分重量的关键在于多层特殊绝热层的材料选择和结构设计。
2. 内罐若用现在使用的纤维带缠绕工艺。罐内的管路、系统件如何安装、维护?
3. 低温(-252.87°C) 环境对内罐和内罐中零件选材的影响?
4. 低温测试技术和和燃料晃动管理方面的技术
5. 储氢罐必须承受大约 20000 次起飞和降落


低温(-252.87°C)液氢存储罐对民机结构的影响?

民机机翼结构的空腔,就是存储燃油的油箱。A320机翼油箱可大约存储20吨航空煤油(波音 737 和商飞 C919 同此量级)。若用液氢代替航空煤油, 94 m³容积、圆柱形的液氢存储罐只能安装在客舱后面、 加长的机身尾段里。机身尾段在此处是前大后小的锥体。锥体最大直径不超过 4m。仅加长机身来安装 94 m³容积的液氢存储罐,需要增加的长度太长,是不可行的。因此,势必在增加机身长度的同时,增加机身的直径。

空客新A320明显看出, 是在机身尾段安装一个圆形、一个锥形两个储罐。但机身直径是否增加还看不出。我估计它的直径会增加。

英国公布了使用液氢的民机设计方案, 其中窄体飞机“FZN-1E”将代替现 A320。新设计方案:机身加长 10m、直径增加 1m;客舱成双通道布局;机翼重新设计;增加机头处的“前水平安定面”;发动机改为尾吊布局。

进展态势
民机安装的发动机有两种类型:涡轮螺旋桨发动机和涡轮喷气发动机。


对于涡桨发动机的飞机,氢通过燃料电池发电,驱动发电机带动螺旋桨工作。此类发动机主要安装在十几到七十多座的支线飞机,以及小型通航飞机上。最初氢代替燃油研发工作,就是从此类飞机开始。今年4月12号,德国一架4座“HY-4”氢-电飞机,成功完成了从斯图加特到弗里德里希沙芬航线飞行。在今年内有望能看到19座 “道尼尔”和75座“Q-400”、“ATR72-600” 氢-电飞机在天空飞行。

前苏联于 1988 年 4 月,一架经改装、适合液氢燃料涡喷发动机Tu-155 升空试飞。几年后,随着苏联的解体,俄罗斯没有继承这项研发工作。

目前全球 100 座以上,民机的研发生产只有4家:波音、空客、中国商飞和俄罗斯。根据最近外媒一篇报道,这 4 家公司中仅只有波音、空客两家,从事液氢民机实际应用研发工作。波音这项目工作还是十多年前,在一架小型、“迪莫纳-DIMONA”螺旋桨滑翔机上进行的。空客已经进入了,涡扇发动机使用液氢燃料的高空飞行试验工作。同时,初步给出了三类飞机的外形:螺桨飞机、150座级和双通道民机。这其中对150座级民级,披露了较多的信息。单通道、 150 座级的 A320,进入市场快 40 年了。空客已经计划于 2030-2035 年,推出一款“新A320”。新民机机翼采用“信天翁”气动部局:超大展弦比、折叠, 可搧动翼尖、无整流罩襟翼。

制造材料用热固性碳纤维增强环氧树脂基复合材料。机身用高性能的热塑性碳纤维复合材料制造。新民机使用液氢代替航空煤油。设计、制造的目标, 能满足每月制造出 70-100 架飞机。从以上可以看出在使用液氢代替航空煤油的研发工作,空客远远走在波音的前面了(至今在国外媒体的报道中,还没有看到波音使用液氢燃料替换 737 的信息)。

你、 我、 他 能做点什么?

用氢代替石化燃油,不仅仅是解决一个碳排放问题。它对缺少石油国家更具有战略意义。我国是世界最大制氢国, 年制氢产量约3300万吨。液氢的生产也有多家企业介入。我国又是碳纤维产量,世界第二大国。因此, 研发、 生产复合材料储氢罐, 具有丰厚的物质基础。

当前, 许多工业产品还使用石化能源、 电网供电。他们都可以考虑使用氢动力。在氢存储这个领域, 有大量产品待开发。有许多工作等着你、 我、 他。


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