使用零维模型进行氢气罐填充模拟：一些关键参数的验证与影响

《Areviewofliquidhydrogenaircraftandpropulsiontechnologies》作者SauravTiwari等，发表于《InternationalJournalofHydrogenEnergy》。文章围绕液态氢飞机和推进技术展开综述，分析了其发展现状、面临的挑战及未来前景，具体内容总结如下：1.引言：-氢的关注度提升：绿色氢生产和使用的碳无特性以及其生产来源和应用的多样性，使其备受关注，许多国家制定了氢战略。-航空业的碳排放挑战：全球航空业碳排放占交通部门的12%，虽技术进步使燃油效率提升，但客运量增长导致碳排放仍将增加，实现净零目标需采用可持续航空燃料和革命性绿色燃料。-氢在航空中的应用潜力：氢可直接燃烧或用于发电驱动电动推进系统，能量含量高但储存体积大，低温储存更适合航空，且能与飞机热管理系统集成实现燃油燃烧效益，其排放优势包括更低的氮氧化物排放和减少的contrails影响，但成本和技术成熟度等问题仍需解决。图1航空业的排放预测2.未来航空能源组合：氢的案例：-替代燃料对比：电池电动飞机受限于电池能量密度，仅适用于短程或次区域规模；液体氢在任务能力提升和复杂性方面具有潜力，与煤油相比，其能量效率更高，但需要复杂的燃料储存系统；液体氨的能量密度高，但特定能量低，限制了飞机的任务和性能能力；其他替代燃料如液体天然气、甲醇、乙醇等在飞机级性能和排放方面不如液体氢和可持续航空燃料有竞争力。-可持续航空燃料（SAF）：由可持续原料制造，可减少生命周期二氧化碳排放，但供应能力有限，且受复杂供应链和原料供应限制；欧盟设定了SAF使用目标，但其成本较高，且碳税会增加其成本。-氢的优势：燃烧时氮氧化物排放低，使用燃料电池时为零排放，水排放虽多但形成的冰晶体沉淀快，使contrails变薄，辐射强迫效应降低，对全球变暖的影响减小；生产成本有望在2030年代早期与SAF竞争，从经济和排放角度看具有长期潜力。图2。不同燃料的燃料和安全壳系统的质量（2030年技术假设）相对于飞机总质量与设计范围为海里3.氢研究在航空中的演变：-历史项目回顾：20世纪50-60年代，军事项目评估了液态氢在航空中的潜力，如ProjectBee中B-57轰炸机和LockheedCL-400间谍机的试验；70年代，Lockheed和TU-155项目进行了相关研究和飞行测试；90年代，“Cryoplane”和“EQHHPP”项目继续推进；2000年以来，Fuelcell电动推进在区域级飞机中得到示范，多个项目和研究致力于氢燃烧和燃料电池技术的演示和发展。-技术发展趋势：1970年代，氢飞机被认为比煤油飞机更节能；2000年代，能量效率预测较差；最近的FlyZero研究显示与1970年代预测有一些一致。Lockheed1970年代和FlyZero2020年代概念采用了整体式油箱，而Cryoplane2000年代采用了顶部油箱，这可能导致了能量效率的差异。此外，所有研究都认为氢飞机在技术上是可行的，但所需的技术突破程度不同。图3（左）氢[265]（右）TU-155LH2飞机改装型B-57轰炸机4.飞机配置：-研究概述：液体氢的储存要求主导了飞机配置，以往研究评估了多种飞机结构和推进系统的配置，认为常规管翼（CTW）飞机结合进化的机身、机翼和其他部件的改进是早期最有希望的配置。-具体配置：CTW飞机的油箱可布置在机身内部的不同位置，如后部机身隔板处的单个圆柱形油箱可提供最高的重力和体积效率，但也有其他配置，如顶部机身油箱；油箱可分为结构集成式和非集成式，前者与机身结构集成，后者可改装到传统机身；外部油箱也曾被考虑，但会增加阻力和重量。-相关概念：ENABLE-H2提出了带扩展机翼根、分布式推进（DP）和边界层摄入（BLI）的机翼和管型以及用于远程飞机的混合机翼体（BWB）概念；CHEETA项目开发了高度适应的机身，利用DP和BLI；BWB在过去十年中得到了大量研究，新的设计解决了许多挑战，但考虑到投资和风险，CTW飞机的改进配置可能在2030-2035年推出，更革命性的概念如BWB可能在2040-45年及以后推出。图4不同研究中的能源消耗与任务能力的变化5.低温燃料系统和储存：-设计哲学：氢可通过物理或材料基存储，低温液态氢储存因密度和重力效率优势更适合大规模应用，但设计复杂，需考虑储存密度、重力效率、填充和排气压力、任务要求等因素。-壁材料：高强度、高断裂韧性、低密度、低热膨胀系数、低渗透和低脆化的材料是理想选择，铝合金和钛在低温下抗氢脆和渗透性能较好，复合材料的应用仍在研究中，但有潜力提高重力效率。-绝缘选择：低质量密度、低导热率和低热扩散率的材料适合绝缘，气凝胶、泡沫和多层绝缘（MLI）系统是商业航空的可行选择，MLI导热率和扩散率低，但与泡沫相比，其重力效率受排气压力影响，泡沫在一定排气压力范围内具有更高的重力效率，FlyZero根据不同飞机概念选择了不同的绝缘材料。-总结与展望：液体氢罐的重力效率在不同研究中为40%-80%，取决于多种因素，到2030-2035年，通过精心设计可达到70%或以上，同时需要对低温燃料系统进行详细设计、测试和实验，并评估其安全性和认证问题。图5已选定的概念(a)洛克希德公司1970年代[44–46](b)冷冻飞机[51,63](c)启用-H2[10,106]远程BWB和短程(d)CHEETA项目[119](e)FlyZero[127]区域，短程和中程。6.氢燃气轮机：-燃烧系统：氢燃烧器设计的重要目标是减少氮氧化物排放，其火焰温度和燃烧特性与煤油不同，宽可燃性范围和快速动力学特性使其可在贫混合物中运行，有利于降低氮氧化物排放，多种燃烧器技术和研究正在致力于解决相关问题，如预混和非预混燃烧器系统、新型喷油器和稳定火焰的技术等。-集成热管理：引入替代发动机循环和发动机集成热交换器（HEX）可利用氢的低温和高比热容特性进行燃料调节和回收废热，从而提高发动机性能，不同的循环如冷却发动机油、涡轮冷却空气、压缩机空气、排气和氢膨胀/顶循环等都有潜在的效益，但具体效益因研究的技术假设和基线不同而难以直接比较，排气热回收相对容易早期采用，其他循环的集成和优化需要进一步研究和测试。-总结与行业展望：以往研究确定了适应氢的涡轮机所需的许多修改，系统级评估显示出潜力，航空航天行业正在加速相关研究和开发，需要进一步的详细设计研究、燃烧器和热交换器的模拟和测试；目前行业内有多个氢燃气轮机设计项目正在进行，如RollsRoyce、PrattandWhitney、GKNAerospace、CFMInternational和MTUAeroEngines等公司的相关项目。图6燃烧室主区[168]的温度特性。7.燃料电池推进系统：-系统设计与类型：燃料细胞系统由多个细胞组成堆栈，再与平衡装置（BoP）形成完整系统，BoP包括气体管理系统、水管理系统、功率调节系统和热管理系统，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）在航空特定要求下具有较高潜力，PEMFC可分为低温（LT-PEMFC）和高温（HT-PEMFC）两种类型。-热管理系统：燃料细胞产生的热能与输出功率相当，需要有效的热移除技术，如主动冷却（空气、液体、相变）和被动冷却（热管、热扩散器），不同冷却方法适用于不同功率水平，未来航空需求可能需要液体和相变冷却，同时需要高度集成的热管理系统和废热利用，以实现飞机系统级的最大效益。-燃料细胞演变与投影：燃料细胞系统的特定功率自2000年以来持续提高，预计到2035年将达到3kW/kg，这将使区域级氢燃料电池飞机具有可行性，但不同研究在特定功率、功率密度和BoP质量分数等方面存在差异，需要进一步研究燃料细胞技术和优化系统设计。-电气架构系统（EAS）：新型EAS包括电机和功率管理分配系统（PMAD），EAS技术包括常规非低温、超导和超导电技术，目前非低温系统已在示范中使用，超导和超导电技术仍在研发中，有望实现系统级质量效益，这些技术也适用于其他系统如混合氢推进系统。-燃料细胞飞机研究与工业进展：燃料细胞在飞机推进中的研究始于1984年，近年来取得了显著进展，一些公司和项目计划在2035年前实现区域级燃料细胞飞机的商业化，同时需要进一步研究热管理、废热回收和飞机集成等问题，以实现更高效率和性能的燃料细胞飞机。图7。氢喷射系统和燃烧器技术(a)NASA非预混直接精益喷射器[169](b)是微混合燃烧系统[266]的一个例子。8.安全与认证：-安全问题：氢的可燃性和低点火能量使其安全备受关注，但通过合理的燃料储存、火灾检测和通风系统，氢燃料可以与煤油一样安全，以往的事故影响了公众对氢安全的看法，需要新的实验来验证其安全性，尤其是对于大液体氢泄漏和点火场景。图8发动机集成热管理系统原理图（根据以前的文献创建）。-认证情况：认证是关键但考虑较少的方面，目前的研究确定了飞机和机场安全运行的一些要求，需要认证机构和工业学术界的合作项目来推进系统认证，从研究和开发阶段就应考虑相关的“功能危害分析”和初步设计。9.氢在航空中引入的阶段-阶段划分：航空业向氢过渡分为技术示范和认证（2025-2030）、系统级优化（2030-2040）和飞机机队开发（2040-2050）三个阶段。图9燃料电池系统架构(改编自参考文献。[146])，其中PMAD是一个电源管理和配电系统。-各阶段特点：第一阶段，燃料细胞驱动的区域和次区域改装飞机将在少数实验性区域机场运行，研究重点是提高技术成熟度，机场和氢分布基础设施规划投资需加速；第二阶段，系统级优化的区域飞机和窄体氢燃烧发动机飞机将进入市场，一些大型国际机场可能在2035年后适应氢运行；第三阶段，到2040-2050年，将推出一系列飞机机队，包括中远程氢燃烧发动机飞机，高度集成的概念如新型机身、推进配置和超导电气系统将可能推出，主要机场将需要永久的液态氢储存和管道基础设施。图10基于功率水平[218]的各种冷却方法的适用性10.结论*-技术可行性：Lockheed1970年代、Tupolev1970年代、Cryoplane2000年代和FlyZero2020年代的研究都表明氢动力飞机在技术上是可行的。-短期解决方案：常规飞机配置，即燃料储存在机身内部，是中短期内更有利的解决方案，基于研究和开发成本、性能以及实现2050年大幅减少碳排放的目标，航空界不太可能在这个时间尺度内采用如BWB等更革命性的飞机设计变化。图11。燃料电池系统特定功率演变和投影（见表A2)。-各部件技术展望：-燃料储存：铝基储罐由于技术成熟度高，可能在初期占主导地位，复合材料储罐有提高重力效率的潜力，需要对其在低温下的性能进行研究和新的制造技术开发；泡沫和MLI都有良好的绝缘潜力，预计到2035年低温燃料罐的重力效率可达70%以上，储罐设计需根据任务和飞机要求进行优化，同时需要对通风的安全性和认证进行审查，对低温燃料系统的详细设计和测试也有大量工作要做。图12演示了燃料电池推进系统和飞机概念，(a)ZeroAvia[81]，(b)空客[104]，(c)通用氢[80]和(d)CAeS[241]。-氢燃气轮机：相对其他技术更成熟，地面和飞行测试有记录，近期发动机和机身制造商的发展也表明了这一点；关于氢的海拔可燃性和点火效应以及详细的燃烧器设计的研究正在进行中；发动机集成热交换器对燃料调节和热管理很重要，利用发动机排气处的热交换器是提高系统效率的直接措施，预计将在早期发动机中采用；未来需要实现全废热利用，包括发动机油冷却、涡轮叶片冷却、压缩机预冷/中间冷却和燃料膨胀循环等，现阶段需要对热交换器配置进行详细设计和测试。图13。航空中氢的阶段-燃料电池：过去十年发展迅速，预计到2035年系统级特定功率将达到约3kW/kg，有望实现75PAX和800NMI的全电动区域氢飞机；但研究中在燃料细胞特定功率、功率密度和BoP质量分数等方面存在较大差异，需要对燃料细胞技术进行研究，包括设计紧凑的BoP；燃料细胞效率约为50-70%，热管理和废热回收对整体系统效率至关重要，随着技术发展，可能会向HT-PEMFC过渡；在电气架构系统方面，超导和超导电技术可实现显著的质量节省，但需要管理燃料线的热负荷以保持燃料系统效率和运行完整性，因此，将燃料细胞推进系统扩展到区域飞机或更大规模需要对集成热管理系统设计进行革命性变革。-安全与认证：建模表明氢燃料可以比煤油更安全，但需要新的实验来验证，尤其是对于大液体氢泄漏场景；认证研究有限，需要相关方的合作项目来推进。-环境排放：燃料电池推进系统可实现真正的零排放，氢燃烧系统仍会产生氮氧化物和contrails；氢燃烧涡轮机可能用于中远程飞机，新的燃烧器技术有望将氮氧化物排放减少80%；关于contrails的影响存在不确定性，需要实验来量化其温室效应，同时考虑路线规划以减轻影响。来源：气瓶设计的小工程师