下一代航空燃料——氢

国际金属加工网 2021年04月28日

当代飞机所使用的内燃式航空发动机,可以通过改装升级,使用替代燃料,来实现更加环保的排放要求。如今,无论使用气态燃料还是液态燃料,氢——都已成为最具潜力的选择之一。空中客车正在为其零排放飞机项目探索氢燃料的应用潜力,以此为未来铺就发展之路。

ZEROe概念飞机


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全球首款零排放民用飞机由三种概念机型组成

空中客车公布了全球首款零排放民用飞机的三种概念机型,并计划于2035年投入使用。这些概念机各自代表了实现零排放飞行的不同方法,探索各种技术途径和空气动力学构型。

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信息图:空中客车零排放概念飞机ZEROe 

首款气候中立零排放民用飞机的三款概念机都命名为“ZEROe”,包括:

一款采用涡轮风扇发动机的设计方案(搭载120-200名乘客),航程超过2000海里,能够进行跨大陆运行,由燃烧氢气而非传统航空燃料的改型燃气涡轮发动机提供动力。液态氢将通过位于后耐压舱壁后面的储罐进行存储和输送。

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一款采用涡轮螺旋桨发动机的设计方案(最多搭载100名乘客),使用涡轮螺旋桨发动机代替涡轮风扇发动机,并且还通过改进的燃气涡轮发动机中的氢燃烧来提供动力,航程超过1000海里,是短途旅行的理想选择。

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一款采用翼身融合的设计方案(最多搭载200名乘客),机翼与机身采用融合设计,航程与涡轮风扇概念机相似。超宽的机身为氢气的储存和输送,以及客舱布局提供了多种选择。

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氢燃料发动机
当世界上第一台内燃机投入使用时,它所采用的燃料并非汽油或柴油,而是氢气。

1804年,瑞士发明家伊萨克•德•里瓦兹(Isaac de Rivaz)在成功地设计了几辆以蒸汽为动力的汽车后,他开始尝试使用具有爆燃特性的燃料来取代蒸汽。他的第一个试验就是研究发动机气缸内燃料爆燃膨胀后推动活塞运动的基本原理。当时,他使用氢气和氧气混合点火驱动内燃机运转,试验取得了初步成功。1807年,他将试验原型发动机安装在一架四轮马车上,驱动马车行驶了一段距离,此举使这辆马车获得了“世界第一台由内燃机驱动的汽车”的殊荣。

在过去的整个20世纪,无论是车企、院校,还是发明家甚至业余爱好者,他们都对氢燃料内燃机的可行性进行了各种各样的研究测试。1970年,发明家保罗•迪格斯(Paul Dieges)甚至率先申请了一项以氢燃料为动力的内燃机设计专利。

如今,氢燃料发动机已经被证明具有向从小轿车到公共汽车等各种车辆提供动力的能力。未来,氢燃料也可能为民用飞机提供动力。

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为飞机提供动力的涡扇发动机是最现代的燃气涡轮发动机

氢燃烧的工作原理 燃烧是一个从燃料和空气混合物中释放能量的化学过程。在氢的燃烧过程中,液态或气态的氢在改进的燃气涡轮发动机中燃烧来制造动力。这个过程与传统的内燃机相同,只是用氢取代了其对应的化石燃料。 点燃式发动机由一个固定的气缸和一个或数个移动的活塞组成,其工作原理如下: •      进气过程中,燃料与空气混合通过进气门被吸入气缸•      随后活塞压缩燃料和空气的混合物,并由火花塞点燃可燃气
•      高温高压的燃气推动活塞运动,从而转动曲轴•      就汽车而言,这种旋转运动可以使车轮转动

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点燃式发动机的工作过程

要确定哪种氢技术最适合为我们的ZEROe零排放概念飞机提供动力的唯一办法,就是测试、测试、再测试。——ZEROe飞机架构负责人Matthieu Thomas

氢具有许多使其适合燃烧的独特特性,包括:

•      宽适燃范围:氢的燃烧条件并不苛刻,它可以在与空气混合不充分的条件下燃烧,这意味着在消耗同等空气量时,所需要的氢燃料少于其他燃料。这会提高燃料经济性,降低燃烧温度,减少通过排气排放的氮氧化物等污染物量。

•      自燃温度高:与碳氢发动机相比,氢发动机的高自燃温度使其具有更高的压缩比。压缩比越高,热效率越高,燃烧过程中损失的能量越小。

测试氢燃料技术 氢燃料已经成为飞机的动力来源之一。1988年,世界上第一架使用液化氢气(后来还曾使用液化天然气)运行的试验性民用飞机——图-155试飞成功。这款飞机共进行了约100次试飞。 30多年后的今天,航空业再次将注意力转向使用氢燃料来为民用飞机提供动力。空中客车ZEROe零排放概念飞机便是其中之一。 “要确定哪种氢技术最适合为ZEROe提供动力的唯一办法,就是测试、测试、再测试。”空中客车ZEROe飞机架构负责人Matthieu Thomas表示,“我们期待与大家分享在氢燃料方面进行跨行业合作的更多成果。

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空中客车ZEROe涡扇概念飞机燃料存储罐 

要使氢燃料正常工作,必须将液氢安全地储存在飞机上。由于氢的独特特性,这可能会是棘手的问题。例如,如果热量通过传导等因素传递到燃料中,则需要对燃料存储罐进行绝缘,以避免蒸发。这也是空中客车防务与航天的工程部门参与该项目的原因。该团队将与ZEROe项目团队在为期三年的合作项目中,为液氢低温存储罐的开发和工业化应用提供支持。 “数十年来,航天业一直在使用压力容器来储存液体推进剂,为太空探索提供动力。”空中客车防务与航天推进产品和储罐负责人Renato Bellarosa表示,“因此,我们在损伤容限、先进制造技术和容器压力测试方面拥有大量的专业知识,这些都是支持未来飞机推进系统液氢储罐研发的关键。这样的跨行业合作将使我们在未来十年内更接近实现将氢动力飞机送上蓝天。

(空中客车)

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