中國航空報訊：據復合材料世界網站消息，空客公司正在開發(fā)一種氫動力燃料電池發(fā)動機。這套推進系統(tǒng)被認為是空客計劃于2035年投入市場的ZEROe零排放飛機的潛在動力解決方案之一。空客將氫能確定為最有前途的零排放飛機動力替代燃料之一，因為它從可再生能源中產生時不排放二氧化碳，而消耗后產生的水是其最重要的副產品，沒有任何污染和碳排放。

(資料圖片)

空客將在未來十年中的某個時間點，開始在ZEROe驗證機上對這種燃料電池發(fā)動機進行地面和飛行測試。為測試新型氫能源技術而準備的空客A380 MSN1試驗平臺目前正在進行改裝，以攜帶液態(tài)氫（LH2）儲罐及其相關系統(tǒng)組件。

液態(tài)氫儲罐研發(fā)工作正在推進

液態(tài)氫是一種推進技術燃料解決方案。為實現安全上機，空客正在開發(fā)金屬液態(tài)氫儲罐。這項工作正在空客零排放開發(fā)中心進行，可支撐并推動空客實現2035年讓ZEROe飛機投入使用的目標。

為了支撐未來航空業(yè)低碳、零碳發(fā)展，復合材料廠商們也在持續(xù)努力。位于荷蘭的東麗先進復合材料公司（TAC，前身為荷蘭曇卡先進復合材料公司，于2018年被日本東麗收購）于2021年12月宣布組建荷蘭液態(tài)氫復合材料儲罐項目聯(lián)合攻關體。這個為期45個月的研究項目由荷蘭研發(fā)機動性（RDM）基金資助，旨在開發(fā)一種長壽命、用于民用航空的全復合材料液態(tài)氫儲罐，最終目標是全力支撐零排放飛機取得成功。理想情況下，全復合材料帶來的輕量化和可靠的力學性能設計，能夠為氣態(tài)和液態(tài)氫提供更好的貯存裝置，并顯著降低成本，但目前的技術仍然需要進一步創(chuàng)新，以適應航空領域發(fā)展與應用需要。對于單通道商用飛機來說，壓縮氫氣的能量密度不足以支撐飛機所需的航程，只能通過貯存溫度在20K（約-253℃）的液態(tài)氫來實現燃料供給。

據此，TAC和荷蘭航空航天研究院（NLR）啟動了復合材料液態(tài)氫儲罐的研發(fā)工作，并與空客公司進行了詳細討論。最終聯(lián)合團隊于2021年10月獲得了項目融資。2022年1月正式以聯(lián)合攻關團隊形式開始各項工作的推進。

該聯(lián)合團隊包括14個企業(yè)和科研機構，全部位于荷蘭，從事的專業(yè)橫跨整條復合材料儲罐供應鏈。TAC是項目牽頭負責方，作為材料供應商在熱固性和熱塑性復合材料方面具有強大專業(yè)實力。代爾夫特理工大學已經與NLR合作，共同負責測試合作伙伴Cryoworld公司制造金屬液態(tài)氫儲罐。此外，該項目還與主要行業(yè)原始設備制造商保持密切協(xié)調溝通，包括空客、巴西航空工業(yè)公司和美國ZeroAvia公司，以便研究團隊能夠明確了解用戶的工況條件和需求，使得開發(fā)的儲罐能夠滿足上機要求。

儲罐的材料選用、制造技術與試驗測試

NLR高級復合材料科學家表示，已經建立了額外的設施來測試復合材料在20K溫度條件下的性能表現，重點關注復合材料能否抵抗產生微裂紋以及防止氫通過層壓板滲透。此前，研究人員已經從阿麗亞娜6號運載火箭發(fā)動機的燃料系統(tǒng)保障工作中獲得了經驗，但當時的工作溫度約為80K。雖然目前研究人員主要測試的還是針對熱固性復合材料，其目的是為后續(xù)測試工作建立性能參考標準。在飛機中使用的復合材料儲罐將主要基于熱塑性材料開發(fā)，這也是TAC 最為擅長的專業(yè)領域。諸如聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等在極低溫度下能夠產生半結晶等有趣特性，此外，熱塑性復合材料還具有較好的焊接潛力。與傳統(tǒng)通過使用金屬密封配件相比，可焊接特性為儲罐管路系統(tǒng)連接提供了更簡單的工藝方法。

完成全部測試工作將耗時18個月。從已經完成的測試結果看，最終目標的實現仍然很有希望。在滲透性測試中，使用碳纖維增強環(huán)氧樹脂纏繞在未增強尼龍或高密度聚乙烯襯里上作為滲透屏障，已經在IV型壓縮氣體氫儲罐中實現成功，如何在液態(tài)氫能儲罐中取得成功是工作重點。從耐低溫性能上看，復合材料已能夠經受住儲存-269℃液態(tài)氦。面臨的一個關鍵問題是一旦結構產生微裂紋，就會發(fā)生氫滲透。層壓板和材料結構越均勻，熱應力越低，從而能夠實現更好的機械性能。項目中的交付成果之一就是測試由絲束展開碳纖維制成的薄層材料，由于薄層數量增加，理論上能夠提高結構的均勻性。研究人員還在進一步研究其中的影響因素，包括纖維類型、樹脂浸潤等，進一步測試的工作仍在繼續(xù)。

在制造技術方面，GKN Fokker公司將專注于液態(tài)氫儲罐的預浸帶纏繞工藝，開展工業(yè)化和低成本技術研究。而NLR正在考慮更多地使用自動纖維鋪放（AFP）技術，以此可以更容易地生產更均勻的材料結構。但過程控制和后期固化都面臨較大困難。

儲罐的設計挑戰(zhàn)項目最終將生產一個配備傳感器和輔助系統(tǒng)的全復合材料演示驗證儲罐，通過熱循環(huán)和負載循環(huán)測試，評估其性能和耐久性。研究人員將制造一個小型儲罐，容量約為80升，可更經濟地重復填充液態(tài)氫。內罐和外罐的設計和制造將由NLR完成。

其中，外罐更像是一個保護殼，必須能夠承受飛機著陸載荷和FAA要求的典型碰撞載荷，但它還必須通過飛機油箱和設備的火焰、煙霧和毒性（FST）防護要求，但不必像內罐那樣考慮應對極低的溫度環(huán)境和氫滲透。內罐另一個需要注意的關鍵問題是需要設計擋板來防止液體燃料晃動，并且擋板須連接到罐壁和端部圓頂。這導致浸沒在低溫燃料中的部件和內罐壁上與外部環(huán)境溫度接觸的部件之間存在較大溫度差。接觸內罐和外罐的燃料提取和汽化設備也面臨同樣的問題。

對于全復合材料儲罐來說，按照適航要求還必須具備防火性，但對于大部分低溫儲罐來說，要求還不止于此，因此必須考慮使用不同材料，同時還要兼顧滿足約10年的使用壽命要求，保持真空度和絕緣性。此外，研究人員必須與作為監(jiān)管機構的EASA就安全適航性要求進行詳細咨詢，并依托技術更成熟的金屬儲罐樹立設計基線。

氫動力系統(tǒng)的研發(fā)進展與未來計劃

ArianeGroup公司將設計、生產和支持空客ZEROe驗證平臺開展其地面和飛行測試活動所需的液態(tài)氫燃料系統(tǒng)運行。空客認為現階段的工作重點是同時推動所有必需的技術盡快成熟，為到2035年零排放飛機投入使用做好充分準備。ArianeGroup公司還是“阿麗亞娜”運載火箭的主要承包商，該運載火箭已經實現由液態(tài)氫提供燃料動力，并擁有了超過了40年的成功經驗。

目前有兩種主流方法可以將氫能用作飛機推進的動力源。一種是直接通過燃氣輪機中的氫氣燃燒產生能量；另一種是使用燃料電池將氫氣轉化為電能，為螺旋槳發(fā)動機提供動力。氫能渦輪機也可以直接與燃料電池相結合，而不再是混合動力架構中使用的純電池。一段時間以來，空客公司一直在探索航空燃料電池推進系統(tǒng)的可能性。2020年10月，空客與ElringKlinger成立了一家合資企業(yè)Aerostack，其中ElringKlinger作為燃料電池系統(tǒng)和組件供應商擁有20多年的經驗。2020年12月，空客曾展示了其全新設計的概念吊艙，其中包括六個可拆卸燃料電池螺旋槳推進系統(tǒng)。氫燃料電池，尤其將其堆疊在一起使用時，可增加功率輸出，從而實現其可擴展性。此外，由氫燃料電池驅動的發(fā)動機可以實現零氮氧化物排放，從而帶來額外的脫碳效益。空客公司零排放飛機副總裁Glenn Llewellyn表示，燃料電池是幫助公司實現零排放目標的潛在解決方案。空客正專注于開發(fā)和測試這項技術，以了解它是否具有可行性。從應用效率和規(guī)模上分析，如果技術目標得以實現，燃料電池發(fā)動機將能夠為一架運載100名乘客的飛機提供動力，其航程約為1000海里（1852千米）。通過繼續(xù)投資這項技術，公司將為未來提供更多選擇。這些選擇將為ZEROe飛機的架構決策提供重要信息。空客公司預計在2027年至2028年間正式推出這款零排放飛機。

關鍵詞：