氢燃料飞机的可开发性能

本文来源：Developable performance of hydrogen fueled aircraft

摘要：约 20 年前推出了一款氢动力商用车，丰田 Mirai 性能进一步改进，两年前推出了新车型。其大致性能为：自重与小型飞机相同，发动机输出功率约为 100 千瓦，消耗 5.6 千克氢气，可搭载约 4 人，自重 2 吨，续航里程达 700 千米。换言之，假设一架大型飞机（40,000 千瓦）总起飞重量为 300 吨（载货 100 吨），氢电池装置约为 24 吨（60 千克 / 100 千瓦），推进飞机约为 20 吨（50 千克 / 100 千瓦）。通过假设液氢 / 压缩氢储罐约为 70 吨（含 7 吨氢气），机身 30 吨采用管罐结构，这一目标有望实现。最大的挑战是通过使用比氢燃料轻 10 倍的飞机液氢储罐（如果可能，结合压缩氢储罐与飞机结构材料）来实现最大程度的减重。本文阐述了通过开发所提出的管罐技术，在不久的将来可实现的大、小型氢燃料飞机的性能，并展望其性能将显著超越喷气燃料飞机。

关键词：氢气；氢储罐；液氢 / 压缩氢组合储罐；管罐框架飞机；巡航范围；结构材料；飞机重量

1. 引言

氢燃料在汽车领域的广泛应用有望推动其在飞机上的应用迅速发展。图 1 展示了 ZeroAvia 的 20 座小型飞机，巡航里程达 800 千米，该飞机于 2023 年 12 月首飞，成为新闻焦点，标志着第一架氢燃料飞机的问世。国际飞机制造商都在推动氢飞机的发展，从原本使用石油燃料内燃机的氢燃料发动机向能实现高固有机械效率的氢燃料电池和电动机发动机的转变正在推进。氢动力汽车的普及始于约 20 年前的丰田 Mirai 乘用车，商用汽车通过约 80 兆帕的压缩氢（CH2）储罐中的氢气发电装置（燃料电池堆）运行。

图 1：ZeroAvia 的 20 座、800 千米氢燃料电池飞机首次飞行。

图 2：丰田 Mirai 的 3 个车载储罐。

2. 氢储罐结构

图 2 是丰田 Mirai 的 80 兆帕储罐示意图，其自重约为 120 千克（3 个储罐），常温下可储存约 6 千克压缩氢气，由已公开的碳纤维增强塑料（CRP）材料制成。图 3 展示了用于大型车辆和罐车的不锈钢容器，其在零下 253 摄氏度下储存低温液态氢（LH2）。容器内部由真空隔热层和耐压加强层组成，并在容器侧面配备冷却功能装置以维持低温。这是已公布的储罐结构示意图。这些特点表明，压缩氢储罐需要高强度耐压容器，而液氢储罐是超低温储罐，因此需要隔板。

图 3：已公开的大型液氢储罐结构。

氢气与空气中的氧气反应生成的废物是水，因此被认为是一种无污染能源。氢气的氧化热能按重量计算相当于石油基燃料的 1.1 倍，但在燃料电池中使用时，机械动能利用率比内燃机的低效率高出约 10 倍。换言之，丰田 Mirai 使用 5.6 千克氢气可行驶 750 千米，而通常需要 60 千克汽油。然而，由于氢气非常轻，即使其重量很小，也会占据巨大体积，需要在 80 兆帕的高压储罐中储存。Mirai 商用车型配备 140 升、80 兆帕的压缩氢储罐，续航里程可达 750 千米。对于大型车辆，安装低温液态氢（零下 253 摄氏度）储罐是个不错的选择。

图 4：氢 / 氩相图。

图 2 是一个具有高隔热性能的结构。任何储罐的性能都通过容器相对于储存气体的重量来评估。容器输出的所需氢气是低压气化气体。另一方面，向储罐充气（气体传输）需要预冷设备，因为需要改变储罐之间的压力和温度。在此，通过使移动储罐之间的温度和压力相同，用惰性高密度氩气填充两个储罐，并进一步填充低密度氢气，构建了一个双层气罐。如果进一步填充液态氢，就变成了液态氩浮式液态氢填充罐。另一方面，图 4 是一个相图，其中横轴表示温度，纵轴表示压力，显示了物质状态的变化以及成为气体、液体和固体的环境条件。图中绿色液氢和黄色液氩之间的重叠部分表示目标浮式功能储罐的适用范围。从图中可以看出，这两种气相图特性产生了一种在氩气环境中有利于氢气的体积变化的储罐。也就是说，不需要预冷设备，如果储罐之间的压力平衡，液氢可以在短时间内充气。此外，几乎全部的压缩氢输出气体可以在氩气浮式气体的恒定压力下输出。因此，在液氢充气的压缩氢输出储罐条件下，可以提供一种无需预冷设备且具有最大储存容量的浮式气罐系统。浮式功能需要大约每立方米 2 千克的氩气填充才能永久运行。

3. 浮式储罐结构

NBL 开发的浮式储罐的液氢充气和压缩氢输出原理在图 5 中进行解释。上图显示了一个空罐，下图显示了一个满罐。请注意，每个端口都由一个具有连接阀功能的接头组成。内部压缩氢管道配备有安全阀，该安全阀自动起作用以维持内部不锈钢允许压力。

图 5：液氢 / 压缩氢组合储罐。

当首次使用液氢充气罐时，连接接头，从完全关闭的端口阀打开储罐 / 设备管道阀，首先打开端口真空阀以创建真空条件并检查储罐泄漏。我们解释一下连续缠绕（CW）成型罐和纤维缠绕（FW）成型罐之间的功能差异。FW 罐是一种中空的整体成型罐。另一方面，CW 罐是一种管罐，其高压管的两端用螺丝连接以封闭端部或连续连接。技术标准是用符合 GPI 标准 H 级的 RTC8 螺纹接头形成管罐。换言之，如图 6 所示的原型罐照片，它由可批量生产的通用部件组成，是管罐的基础。此外，它可以根据尺寸和用途自由组装，并具有内置功能部件（如内部储罐）及其维护等特点。这种储罐可以有双层结构或具有液氢 / 压缩氢组合功能和氩气浮式功能的储罐。

图 6：原型液氢 / 压缩氢储罐。

接下来，关闭真空端口阀和压缩氢端口阀，打开液氢阀以使储罐内部压力平衡，然后注入零下 253 摄氏度的液氢，当储罐充满时关闭阀门。打开接头，取出储罐，在检查气体泄漏后，从液氢端口阀注入指定量的氩气浮式气体。储罐内形成氩气浮层。同样，对于压缩氢注入，关闭所有端口，打开压缩氢端口阀，在指定压力下注入直到压力等于端口压力，然后关闭阀门。之后，如图所示，在不注入氩气的情况下，储罐可用于其预期目的，并且通过连接端口接头后操作阀门，可使用 80 兆帕压缩氢和零下 253 摄氏度液氢的组合输出进行气体传输，无需任何预冷设备。它可用于具有氩气浮层产生压力并允许气体进出的目的。此外，当使用压缩氢充气罐时，不建议使用氩气浮式规格，因为氩气会变成不可分离的混合气体。对于标准使用，浮式使用时液氢是最佳充气选择。

图 7 显示了已公开的类似车载储罐和小型飞机的估计性能。该图显示，小型飞机所需的 99 千克氢气可以储存在 1,140 千克中，这大约是现有车载 FW 成型罐重量的两倍，并且性能比较显示了液氢 / 压缩氢组合使用的效果。同时，通过将图 6 所示的原型罐长度增加到 10 米，实现了 CW 飞机储罐，其性能可以与 FW 成型罐大致比较。

4. CW 成型浮式储罐在飞机上的安装

这里所示的 CW 飞机储罐以作为主翼和其他飞机结构部件的形式储存在飞机内部，如图 8 所示。即，从图中可以看出，由于储罐具有管框架材料的结构功能，因此它被用作具有弯曲和抗压强度的材料。

图 8：氢储罐储存区域。

此外，在管框架结构中，机身结构在与长度方向正交的框架结构中形成蜂窝状，其中管道具有连通和固定功能。此外，通过在蜂窝框架材料的外壁上安装太阳能电池板，可以获得每平方米 0.2 千瓦的电力。图 9 显示了用于飞机应用的组合液氢 / 压缩氢管罐的管径和适用性能 / 规格。适用罐直径为 100 至 180 毫米，可获得所需长度，同时还显示了罐容量、罐重量和允许强度。该图显示，用于罐功能的强度约为 30%，这意味着可用作管道结构材料的强度与相同形状的钢管相当。

图 9：液氢 / 压缩氢组合罐的估计性能和适用于小型飞机的性能。

5. 氢燃料的推进性能

图 10：已公布的氢燃料车载电源。

图 11：空客公布的飞机推进装置。

图 12：空客三款公布型号的开发概念图。

6. 具有氢储罐结构框架的大型飞机

图 13 是一架使用组合液氢 / 压缩氢管罐作为机身结构材料的大型飞机的结构示意图，该飞机使用储罐部件和肋骨（蜂窝连接部件）。

图 13：大型飞机管罐框架基本结构图。

管罐的部件包括 GPI 标准 H 级②管道、③接头、④端盖、⑤内部不锈钢瓶和间隔隔热材料、⑧止推块、⑥可连接的凹形接头、⑦凸形杯环、⑨斜面接头。通过有目的的连接组装的①液氢 / 压缩氢管罐形成了主翼和机舱的主要结构材料。将管框架捆绑在一起的肋骨材料⑩在图中的 A - A 和 B - B 横截面中起到了管罐捆绑框架结构的作用。此外，肋骨上粘贴有太阳能电池板的外壁材料⑪用铆钉固定，以维持机舱内部压力。⑫内部推板是机舱装饰板，⑮使用与乘客座椅相融合且具有空调和吸音效果的基材。肋骨和管道通过插入 L 形间隔件⑮以摩擦方式固定。所示基本结构显示了主要部件和概念，省略了电气基材。主要特点是减轻飞机重量和降低 制造加工成本的目标。构成基材主要是 CRP，除储罐外的层压结构以正交各向异性 1:1 的比例制成。固定铆钉使用不锈钢盲铆钉，以弥补 CRP 在厚度方向上抗剪切力弱的缺点。所有这些飞机结构材料均由可批量生产的通用基材制成，除三维立体部件外，大、小型飞机将通过组装标准部件来建造。

7. 使用液氢燃料的运输假设性能

图 14 显示了飞机的预期规格和性能与汽车特性的比较。

8. 结论

对于氢燃料飞机的普及，最重要的技术发展之一是降低燃料储罐重量的问题。目前流行的储罐是用于车载的 80 兆帕压缩氢储罐，但每储存 1 千克氢气需要 20 千克储罐的 FW 整体碳纤维增强塑料罐目前无法确保飞机性能。大型飞机的飞机储罐需要至少减轻 50% 的重量。本研究结果表明，为了将重量减轻一半或更多，对增强纤维进行均匀拉伸成型以利用至少 80% 的有效纤维强度，并采用管罐系统，结合液氢 / 压缩氢结构，使储罐作为飞机框架。建议开发具有分工结构的飞机。如果这些建议能够实施，氢燃料飞机将能够超越燃油飞机，从而实现目标。希望本研究结果能有所帮助。