中國航空報訊：據(jù)復(fù)合材料世界網(wǎng)站消息，空客公司正在開發(fā)一種氫動力燃料電池發(fā)動機。這套推進系統(tǒng)被認(rèn)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?？湛蛯淠艽_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(chǎn)生時不排放二氧化碳，而消耗后產(chǎn)生的水是其最重要的副產(chǎn)品，沒有任何污染和碳排放。

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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(shù)而準(zhǔn)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(guān)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(shù)燃料解決方案。為實現(xiàn)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(xiàn)2035年讓ZEROe飛機投入使用的目標(biāo)。

為了支撐未來航空業(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復(fù)合材料公司（TAC，前身為荷蘭曇卡先進復(fù)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(fù)合材料儲罐項目聯(lián)合攻關(guān)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(fù)合材料液態(tài)氫儲罐，最終目標(biāo)是全力支撐零排放飛機取得成功。理想情況下，全復(fù)合材料帶來的輕量化和可靠的力學(xué)性能設(shè)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(shù)仍然需要進一步創(chuàng)新，以適應(yīng)航空領(lǐng)域發(fā)展與應(yīng)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(xiàn)燃料供給。

據(jù)此，TAC和荷蘭航空航天研究院（NLR）啟動了復(fù)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(xì)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(guān)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(gòu)，全部位于荷蘭，從事的專業(yè)橫跨整條復(fù)合材料儲罐供應(yīng)鏈。TAC是項目牽頭負(fù)責(zé)方，作為材料供應(yīng)商在熱固性和熱塑性復(fù)合材料方面具有強大專業(yè)實力。代爾夫特理工大學(xué)已經(jīng)與NLR合作，共同負(fù)責(zé)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(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(shù)與試驗測試

NLR高級復(fù)合材料科學(xué)家表示，已經(jīng)建立了額外的設(shè)施來測試復(fù)合材料在20K溫度條件下的性能表現(xiàn)，重點關(guān)注復(fù)合材料能否抵抗產(chǎn)生微裂紋以及防止氫通過層壓板滲透。此前，研究人員已經(jīng)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(jīng)驗，但當(dāng)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(fù)合材料，其目的是為后續(xù)測試工作建立性能參考標(biāo)準(zhǔn)。在飛機中使用的復(fù)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(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(jīng)完成的測試結(jié)果看，最終目標(biāo)的實現(xiàn)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(jīng)在IV型壓縮氣體氫儲罐中實現(xiàn)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(fù)合材料已能夠經(jīng)受住儲存-269℃液態(tài)氦。面臨的一個關(guān)鍵問題是一旦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂紋，就會發(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(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(shù)方面，GKN Fokker公司將專注于液態(tài)氫儲罐的預(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)。但過程控制和后期固化都面臨較大困難。

儲罐的設(shè)計挑戰(zhàn)項目最終將生產(chǎn)一個配備傳感器和輔助系統(tǒng)的全復(fù)合材料演示驗證儲罐，通過熱循環(huán)和負(fù)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(jīng)濟地重復(fù)填充液態(tài)氫。內(nèi)罐和外罐的設(shè)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(shè)備的火焰、煙霧和毒性（FST）防護要求，但不必像內(nèi)罐那樣考慮應(yīng)對極低的溫度環(huán)境和氫滲透。內(nèi)罐另一個需要注意的關(guān)鍵問題是需要設(shè)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(dǎo)致浸沒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)備也面臨同樣的問題。

對于全復(fù)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(gòu)的EASA就安全適航性要求進行詳細(xì)咨詢，并依托技術(shù)更成熟的金屬儲罐樹立設(shè)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(shè)計、生產(chǎn)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?？湛驼J(rèn)為現(xiàn)階段的工作重點是同時推動所有必需的技術(shù)盡快成熟，為到2035年零排放飛機投入使用做好充分準(zhǔn)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(jīng)實現(xiàn)由液態(tài)氫提供燃料動力，并擁有了超過了40年的成功經(jīng)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?xì)廨啓C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)動機提供動力。氫能渦輪機也可以直接與燃料電池相結(jié)合，而不再是混合動力架構(gòu)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(yīng)商擁有20多年的經(jīng)驗。2020年12月，空客曾展示了其全新設(shè)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(xiàn)其可擴展性。此外，由氫燃料電池驅(qū)動的發(fā)動機可以實現(xiàn)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(xiàn)零排放目標(biāo)的潛在解決方案?？湛驼龑Ｗ⒂陂_發(fā)和測試這項技術(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)得以實現(xiàn)，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(shù)，公司將為未來提供更多選擇。這些選擇將為ZEROe飛機的架構(gòu)決策提供重要信息?？湛凸绢A(yù)計在2027年至2028年間正式推出這款零排放飛機。

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