中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：據(jù)復(fù)合材料世界網(wǎng)站消息，空客公司正在開發(fā)一種氫動(dòng)力燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。這套推進(jìn)系統(tǒng)被認(rèn)為是空客計(jì)劃于2035年投入市場(chǎng)的ZEROe零排放飛機(jī)的潛在動(dòng)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(jī)動(dòng)力替代燃料之一，因?yàn)樗鼜目稍偕茉粗挟a(chǎn)生時(shí)不排放二氧化碳，而消耗后產(chǎn)生的水是其最重要的副產(chǎn)品，沒(méi)有任何污染和碳排放。

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空客將在未來(lái)十年中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，開始在ZEROe驗(yàn)證機(jī)上對(duì)這種燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面和飛行測(cè)試。為測(cè)試新型氫能源技術(shù)而準(zhǔn)備的空客A380 MSN1試驗(yàn)平臺(tái)目前正在進(jìn)行改裝，以攜帶液態(tài)氫（LH2）儲(chǔ)罐及其相關(guān)系統(tǒng)組件。

液態(tài)氫儲(chǔ)罐研發(fā)工作正在推進(jìn)

液態(tài)氫是一種推進(jìn)技術(shù)燃料解決方案。為實(shí)現(xiàn)安全上機(jī)，空客正在開發(fā)金屬液態(tài)氫儲(chǔ)罐。這項(xiàng)工作正在空客零排放開發(fā)中心進(jìn)行，可支撐并推動(dòng)空客實(shí)現(xiàn)2035年讓ZEROe飛機(jī)投入使用的目標(biāo)。

為了支撐未來(lái)航空業(yè)低碳、零碳發(fā)展，復(fù)合材料廠商們也在持續(xù)努力。位于荷蘭的東麗先進(jìn)復(fù)合材料公司（TAC，前身為荷蘭曇卡先進(jìn)復(fù)合材料公司，于2018年被日本東麗收購(gòu)）于2021年12月宣布組建荷蘭液態(tài)氫復(fù)合材料儲(chǔ)罐項(xiàng)目聯(lián)合攻關(guān)體。這個(gè)為期45個(gè)月的研究項(xiàng)目由荷蘭研發(fā)機(jī)動(dòng)性（RDM）基金資助，旨在開發(fā)一種長(zhǎng)壽命、用于民用航空的全復(fù)合材料液態(tài)氫儲(chǔ)罐，最終目標(biāo)是全力支撐零排放飛機(jī)取得成功。理想情況下，全復(fù)合材料帶來(lái)的輕量化和可靠的力學(xué)性能設(shè)計(jì)，能夠?yàn)闅鈶B(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(shù)仍然需要進(jìn)一步創(chuàng)新，以適應(yīng)航空領(lǐng)域發(fā)展與應(yīng)用需要。對(duì)于單通道商用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，壓縮氫氣的能量密度不足以支撐飛機(jī)所需的航程，只能通過(guò)貯存溫度在20K（約-253℃）的液態(tài)氫來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料供給。

據(jù)此，TAC和荷蘭航空航天研究院（NLR）啟動(dòng)了復(fù)合材料液態(tài)氫儲(chǔ)罐的研發(fā)工作，并與空客公司進(jìn)行了詳細(xì)討論。最終聯(lián)合團(tuán)隊(duì)于2021年10月獲得了項(xiàng)目融資。2022年1月正式以聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)形式開始各項(xiàng)工作的推進(jìn)。

該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)包括14個(gè)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)，全部位于荷蘭，從事的專業(yè)橫跨整條復(fù)合材料儲(chǔ)罐供應(yīng)鏈。TAC是項(xiàng)目牽頭負(fù)責(zé)方，作為材料供應(yīng)商在熱固性和熱塑性復(fù)合材料方面具有強(qiáng)大專業(yè)實(shí)力。代爾夫特理工大學(xué)已經(jīng)與NLR合作，共同負(fù)責(zé)測(cè)試合作伙伴Cryoworld公司制造金屬液態(tài)氫儲(chǔ)罐。此外，該項(xiàng)目還與主要行業(yè)原始設(shè)備制造商保持密切協(xié)調(diào)溝通，包括空客、巴西航空工業(yè)公司和美國(guó)ZeroAvia公司，以便研究團(tuán)隊(duì)能夠明確了解用戶的工況條件和需求，使得開發(fā)的儲(chǔ)罐能夠滿足上機(jī)要求。

儲(chǔ)罐的材料選用、制造技術(shù)與試驗(yàn)測(cè)試

NLR高級(jí)復(fù)合材料科學(xué)家表示，已經(jīng)建立了額外的設(shè)施來(lái)測(cè)試復(fù)合材料在20K溫度條件下的性能表現(xiàn)，重點(diǎn)關(guān)注復(fù)合材料能否抵抗產(chǎn)生微裂紋以及防止氫通過(guò)層壓板滲透。此前，研究人員已經(jīng)從阿麗亞娜6號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)保障工作中獲得了經(jīng)驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)的工作溫度約為80K。雖然目前研究人員主要測(cè)試的還是針對(duì)熱固性復(fù)合材料，其目的是為后續(xù)測(cè)試工作建立性能參考標(biāo)準(zhǔn)。在飛機(jī)中使用的復(fù)合材料儲(chǔ)罐將主要基于熱塑性材料開發(fā)，這也是TAC 最為擅長(zhǎng)的專業(yè)領(lǐng)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(chǎn)生半結(jié)晶等有趣特性，此外，熱塑性復(fù)合材料還具有較好的焊接潛力。與傳統(tǒng)通過(guò)使用金屬密封配件相比，可焊接特性為儲(chǔ)罐管路系統(tǒng)連接提供了更簡(jiǎn)單的工藝方法。

完成全部測(cè)試工作將耗時(shí)18個(gè)月。從已經(jīng)完成的測(cè)試結(jié)果看，最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍然很有希望。在滲透性測(cè)試中，使用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂纏繞在未增強(qiáng)尼龍或高密度聚乙烯襯里上作為滲透屏障，已經(jīng)在IV型壓縮氣體氫儲(chǔ)罐中實(shí)現(xiàn)成功，如何在液態(tài)氫能儲(chǔ)罐中取得成功是工作重點(diǎn)。從耐低溫性能上看，復(fù)合材料已能夠經(jīng)受住儲(chǔ)存-269℃液態(tài)氦。面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是一旦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂紋，就會(huì)發(fā)生氫滲透。層壓板和材料結(jié)構(gòu)越均勻，熱應(yīng)力越低，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更好的機(jī)械性能。項(xiàng)目中的交付成果之一就是測(cè)試由絲束展開碳纖維制成的薄層材料，由于薄層數(shù)量增加，理論上能夠提高結(jié)構(gòu)的均勻性。研究人員還在進(jìn)一步研究其中的影響因素，包括纖維類型、樹脂浸潤(rùn)等，進(jìn)一步測(cè)試的工作仍在繼續(xù)。

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

儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)項(xiàng)目最終將生產(chǎn)一個(gè)配備傳感器和輔助系統(tǒng)的全復(fù)合材料演示驗(yàn)證儲(chǔ)罐，通過(guò)熱循環(huán)和負(fù)載循環(huán)測(cè)試，評(píng)估其性能和耐久性。研究人員將制造一個(gè)小型儲(chǔ)罐，容量約為80升，可更經(jīng)濟(jì)地重復(fù)填充液態(tài)氫。內(nèi)罐和外罐的設(shè)計(jì)和制造將由NLR完成。

其中，外罐更像是一個(gè)保護(hù)殼，必須能夠承受飛機(jī)著陸載荷和FAA要求的典型碰撞載荷，但它還必須通過(guò)飛機(jī)油箱和設(shè)備的火焰、煙霧和毒性（FST）防護(hù)要求，但不必像內(nèi)罐那樣考慮應(yīng)對(duì)極低的溫度環(huán)境和氫滲透。內(nèi)罐另一個(gè)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題是需要設(shè)計(jì)擋板來(lái)防止液體燃料晃動(dòng)，并且擋板須連接到罐壁和端部圓頂。這導(dǎo)致浸沒(méi)在低溫燃料中的部件和內(nèi)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(nèi)罐和外罐的燃料提取和汽化設(shè)備也面臨同樣的問(wèn)題。

對(duì)于全復(fù)合材料儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，按照適航要求還必須具備防火性，但對(duì)于大部分低溫儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，要求還不止于此，因此必須考慮使用不同材料，同時(shí)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(jī)構(gòu)的EASA就安全適航性要求進(jìn)行詳細(xì)咨詢，并依托技術(shù)更成熟的金屬儲(chǔ)罐樹立設(shè)計(jì)基線。

氫動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)展與未來(lái)計(jì)劃

ArianeGroup公司將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和支持空客ZEROe驗(yàn)證平臺(tái)開展其地面和飛行測(cè)試活動(dòng)所需的液態(tài)氫燃料系統(tǒng)運(yùn)行?？湛驼J(rèn)為現(xiàn)階段的工作重點(diǎn)是同時(shí)推動(dòng)所有必需的技術(shù)盡快成熟，為到2035年零排放飛機(jī)投入使用做好充分準(zhǔn)備。ArianeGroup公司還是“阿麗亞娜”運(yùn)載火箭的主要承包商，該運(yùn)載火箭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)由液態(tài)氫提供燃料動(dòng)力，并擁有了超過(guò)了40年的成功經(jīng)驗(yàn)。

目前有兩種主流方法可以將氫能用作飛機(jī)推進(jìn)的動(dòng)力源。一種是直接通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)中的氫氣燃燒產(chǎn)生能量；另一種是使用燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，為螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。氫能渦輪機(jī)也可以直接與燃料電池相結(jié)合，而不再是混合動(dòng)力架構(gòu)中使用的純電池。一段時(shí)間以來(lái)，空客公司一直在探索航空燃料電池推進(jìn)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(yīng)商擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)。2020年12月，空客曾展示了其全新設(shè)計(jì)的概念吊艙，其中包括六個(gè)可拆卸燃料電池螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)。氫燃料電池，尤其將其堆疊在一起使用時(shí)，可增加功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)其可擴(kuò)展性。此外，由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)零氮氧化物排放，從而帶來(lái)額外的脫碳效益?？湛凸玖闩欧棚w機(jī)副總裁Glenn Llewellyn表示，燃料電池是幫助公司實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)的潛在解決方案?？湛驼龑Ｗ⒂陂_發(fā)和測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)，以了解它是否具有可行性。從應(yīng)用效率和規(guī)模上分析，如果技術(shù)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)將能夠?yàn)橐患苓\(yùn)載100名乘客的飛機(jī)提供動(dòng)力，其航程約為1000海里（1852千米）。通過(guò)繼續(xù)投資這項(xiàng)技術(shù)，公司將為未來(lái)提供更多選擇。這些選擇將為ZEROe飛機(jī)的架構(gòu)決策提供重要信息?？湛凸绢A(yù)計(jì)在2027年至2028年間正式推出這款零排放飛機(jī)。

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