FAMU-FSU 研究人员为下一代飞机设计液氢储存和输送系统

摘要：FAMU-FSU 工程学院的研究人员设计了一种液氢储存和输送系统，可以帮助实现零排放航空。他们的工作概述了一个可扩展的集成系统，该系统通过将氢气用作清洁燃料以及用作电动飞机上关键电力系统的内置冷却介质，同时解决了多项工程挑战。

艺术家对一架使用氢气作为燃料的 100 座混合动力飞机的渲染图。（图片由 Wei Guo 提供）

FAMU-FSU 工程学院的研究人员设计了一种液氢储存和输送系统，可以帮助实现零排放航空。他们的工作概述了一个可扩展的集成系统，该系统通过将氢气用作清洁燃料以及用作电动飞机上关键电力系统的内置冷却介质，同时解决了多项工程挑战。

这项研究发表在《应用能源》杂志上介绍了为 100 座混合动力飞机量身定制的设计，该飞机从氢燃料电池和氢轮机驱动的超导发电机中获取动力。它展示了如何有效地储存、安全转移液态氢并用于冷却关键的机载系统，同时支持起飞、巡航和着陆等各个飞行阶段的电力需求。

“我们的目标是创建一个处理多项关键任务的单一系统：燃料储存、冷却和输送控制，”机械工程系教授、该研究的通讯作者 Wei Guo 说。这种设计为现实世界的氢能航空系统奠定了基础。

左起，研究生 Parmit Singh Virdi 和 Wei Guo 教授在国家高磁场实验室中研究用于测量低温工作流体传热系数的定制测试设施。这些实验的数据对于设计用于液氢动力飞机的高效换热器至关重要。（斯科特·荷尔斯泰因/FAMU-FSU 工程学院）

策略
氢气被视为一种很有前途的航空清洁燃料，因为它每公斤的能量比喷气燃料多，而且不排放二氧化碳。但它的密度也低得多，这意味着除非以 –253°C 的超冷液体形式储存，否则它会占用更多空间。

为了应对这一挑战，该团队对低温储罐及其相关子系统进行了全面的系统级优化。他们不仅关注油箱，还定义了一个新的重量指数，即燃料质量与整个燃料系统的比率。它们的指标包括氢燃料的质量、储罐结构、绝缘材料、热交换器、循环装置和工作流体。

通过反复调整关键设计参数，例如排气压力和热交换器尺寸，他们确定了相对于系统总质量产生最大燃料质量的配置。由此产生的最佳配置实现了 0.62 的重量指数，这意味着系统总重量的 62% 是可用的氢燃料，与传统设计相比，这是一个显着的改进。

该系统的另一个关键功能是热管理。该设计没有安装单独的冷却系统，而是将超冷氢气输送到一系列热交换器中，这些热交换器可以带走超导发电机、电机、电缆和电力电子设备等机载部件的废热。当氢气吸收这些热量时，其温度会逐渐升高，这是一个必要的过程，因为氢气在进入燃料电池和涡轮机之前必须进行预热。

氢动力飞机的设计示意图。（图片由 Wei Guo 提供）

工作原理
在整个飞机上输送液氢也存在自身的挑战。机械泵会增加重量和复杂性，并且可能会引入不必要的热量或在低温条件下出现故障。为了避免这些问题，该团队开发了一种无泵系统，该系统使用油箱压力来控制氢燃料的流量。

使用两种方法调节压力：从标准高压钢瓶注入氢气以增加压力，以及排放氢气蒸汽以降低压力。反馈回路将压力传感器与飞机的功率需求曲线联系起来，从而能够实时调整油箱压力，以确保在所有飞行阶段都有正确的氢气流速。模拟表明，它可以以高达每秒 0.25 公斤的速度输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞期间 16.2 兆瓦的电力需求。

热交换器按阶段顺序排列。当氢气流经系统时，它首先冷却在低温下运行的高效组件，例如高温超导发电机和电缆。然后，它从高温组件（包括电动机、电机驱动器和电力电子设备）吸收热量。最后，在到达燃料电池之前，氢气经过预热以匹配最佳的燃料电池入口条件。

这种分阶段的热集成允许液氢同时用作冷却剂和燃料，最大限度地提高系统效率，同时最大限度地降低硬件复杂性。

“以前，人们不确定如何在飞机中有效地移动液氢，以及是否也可以用它来冷却动力系统组件，”Guo 说。“我们不仅证明了它是可行的，而且还证明了您需要对这种类型的设计进行系统级优化。”

未来步骤和合作者虽然
这项研究的重点是设计优化和系统仿真，但下一阶段将涉及实验验证。Guo 和他的团队计划在 FSU 的先进电力系统中心构建一个原型系统并进行测试。

该项目是 NASA 综合零排放航空计划的一部分，该组织汇集了美国各地的机构，以开发一整套清洁航空技术。合作大学包括佐治亚理工学院、伊利诺伊理工学院、田纳西大学和布法罗大学。FSU 领导氢储存、热管理和电力系统设计方面的工作。

在 FSU，主要贡献者包括研究生 Parmit S. Virdi;Lance Cooley、Juan Ordóñez、Hui Li、Sastry Pamidi 教授;以及低温学、超导和电力系统方面的其他教师专家。

资金
该项目得到了 NASA 的支持，作为该组织大学领导力计划的一部分，该组织为美国大学提供了一个机会，让他们获得美国国家航空航天局（NASA）的资助，并带头建立自己的团队和制定自己的研究议程，其目标是支持和补充该机构的航空研究任务理事会（Aeronautics Research Mission Directorate）及其战略实施计划（Strategic Implementation Plan）。

Guo 的研究是在总部位于 FSU 的国家强磁场实验室进行的，该实验室得到了美国国家科学基金会和佛罗里达州的支持。