В исследовании, опубликованном в журнале Applied Energy, представлена конструкция, разработанная специально для гибридно-электрического самолета на 100 пассажиров, который потребляет энергию как от водородных топливных элементов, так и от сверхпроводящих генераторов с приводом от водородных турбин. Это показывает, как жидкий водород может эффективно храниться, безопасно передаваться и использоваться для охлаждения критически важных бортовых систем - и все это при поддержании энергопотребления на различных этапах полета, таких как взлет, крейсерский полет и посадка.

"Нашей целью было создать единую систему, которая справляется с множеством критически важных задач: хранением топлива, охлаждением и контролем подачи", - сказал Вэй Го, профессор кафедры машиностроения и автор исследования. "Эта конструкция закладывает основу для реальных водородных авиационных систем".

Водород рассматривается как многообещающее чистое топливо для авиации, поскольку он содержит больше энергии на килограмм, чем реактивное топливо, и не выделяет углекислого газа. Но он также гораздо менее плотный, что означает, что он занимает больше места, если только не хранится в виде очень холодной жидкости при температуре -253 °C.

Чтобы решить эту проблему, команда провела комплексную оптимизацию на системном уровне для проектирования криогенных резервуаров и связанных с ними подсистем. Вместо того чтобы сосредоточиться исключительно на баке, они определили новый гравиметрический индекс, который представляет собой отношение массы топлива к полной топливной системе. Их индекс включает массу водородного топлива, конструкцию бака, изоляцию, теплообменники, устройства циркуляции и рабочие жидкости.

Путем многократной корректировки ключевых конструктивных параметров, таких как давление на выходе и размеры теплообменника, они определили конфигурацию, которая обеспечивает максимальную массу топлива по отношению к общей массе системы. Полученная в результате оптимальная конфигурация обеспечивает гравиметрический индекс 0,62, что означает, что 62% от общего веса системы составляет пригодное для использования водородное топливо, что является значительным улучшением по сравнению с обычными конструкциями.

Другой ключевой функцией системы является управление температурой. Вместо установки отдельной системы охлаждения сверххолодный водород проходит через ряд теплообменников, которые отводят избыточное тепло от бортовых компонентов, таких как сверхпроводящие генераторы, двигатели, кабели и силовая электроника. Поскольку водород поглощает это тепло, его температура постепенно повышается, что является необходимым процессом, поскольку водород должен быть предварительно нагрет перед поступлением в топливные элементы и турбины.

Доставка жидкого водорода по всему самолету сопряжена со своими собственными проблемами. Механические насосы увеличивают вес и сложность, а также могут выделять нежелательное тепло или подвергать риску выхода из строя в криогенных условиях. Чтобы избежать этих проблем, команда разработала систему без насоса, которая использует давление в баке для регулирования расхода водородного топлива.

Давление регулируется двумя способами: впрыскиванием газообразного водорода из стандартного баллона высокого давления для повышения давления и выпуском паров водорода для его снижения. Контур обратной связи связывает датчики давления с профилем энергопотребления самолета, позволяя в режиме реального времени регулировать давление в баке для обеспечения правильного расхода водорода на всех этапах полета. Моделирование показывает, что он может выдавать водород со скоростью до 0,25 килограмма в секунду, достаточной для удовлетворения потребности в электроэнергии мощностью 16,2 мегаватта во время взлета или аварийного обхода.

Теплообменники расположены в поэтапной последовательности. Когда водород проходит через систему, он сначала охлаждает высокоэффективные компоненты, работающие при криогенных температурах, такие как высокотемпературные сверхпроводящие генераторы и кабели. Затем он поглощает тепло от высокотемпературных компонентов, включая электродвигатели, электроприводы и силовую электронику. Наконец, прежде чем попасть в топливные элементы, водород предварительно нагревается в соответствии с оптимальными условиями на входе в топливный элемент.

Такая поэтапная тепловая интеграция позволяет жидкому водороду служить как охлаждающей жидкостью, так и топливом, максимизируя эффективность системы при минимизации аппаратной сложности.

"Раньше люди не были уверены в том, как эффективно перемещать жидкий водород в самолете и можно ли также использовать его для охлаждения компонентов энергосистемы", - сказал Го. "Мы не только показали, что это осуществимо, но и продемонстрировали, что для такого типа дизайна необходимо провести оптимизацию на системном уровне".

БУДУЩИЕ ШАГИ

В то время как это исследование было сосредоточено на оптимизации конструкции и моделировании системы, следующий этап будет включать экспериментальную проверку. Го и его команда планируют создать прототип системы и провести испытания в Центре передовых энергетических систем Бывшего Советского Союза.

Проект является частью Интегрированной авиационной программы НАСА с нулевым уровнем выбросов, которая объединяет учреждения по всей территории США для разработки полного набора экологически чистых авиационных технологий. Университеты-партнеры включают Технологический институт Джорджии, Иллинойсский технологический институт, Университет Теннесси и Университет в Буффало. FSU лидирует в области хранения водорода, управления температурой и проектирования энергосистем.

В FSU ключевыми участниками являются аспирант Пармит С. Вирди; профессора Лэнс Кули, Хуан Ордоньес, Хуэй Ли, Састри Памиди; и другие эксперты факультета в области криогеники, сверхпроводимости и энергетических систем.

Этот проект был поддержан НАСА в рамках инициативы организации по руководству университетами, которая предоставляет возможность университетам США получить финансирование НАСА и взять на себя ведущую роль в создании собственных команд и разработке собственной программы исследований с целями, которые поддерживают и дополняют Управление исследовательской миссии агентства по аэронавтике и его стратегический план реализации..

Исследование Го проводилось в Национальной лаборатории сильных магнитных полей со штаб-квартирой в Бывшем СССР, которая поддерживается Национальным научным фондом и штатом Флорида.