下一代飞行器用低温氢存储与输送系统

这项发表在《应用能源》上的研究介绍了一种专为100座混合动力电动飞机设计的方案，该飞机从氢燃料电池和氢涡轮驱动的超导发电机获取动力。研究展示了液氢如何被高效储存、安全输送并用于冷却关键机载系统——同时满足起飞、巡航和降落等不同飞行阶段的功率需求。

“我们的目标是创建一个能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、该研究的通讯作者郭伟（音译）表示。“这项设计为现实世界的氢能航空系统奠定了基础。”

氢被视为有前景的航空清洁燃料，因为其每公斤蕴含的能量高于航空燃油，且不排放二氧化碳。但其密度也低得多，这意味着除非在-253°C的超低温下以液态储存，否则会占据更多空间。

为应对这一挑战，该团队进行了全面的系统级优化，以设计低温储罐及其相关子系统。他们并非仅关注储罐，而是定义了一个新的质量指数——即燃料质量与完整燃料系统质量的比值。该指数包含了氢燃料、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置和工作流体的质量。

通过反复调整关键设计参数（如排气压力和热交换器尺寸），他们确定了能使燃料质量相对于系统总质量最大化的配置方案。最终的最优配置实现了0.62的质量指数，意味着系统总重量的62%是可用的氢燃料，相比传统设计有显著提升。

该系统的另一关键功能是热管理。该设计未安装独立的冷却系统，而是将超低温氢气输送通过一系列热交换器，这些热交换器可移除机载组件（如超导发电机、电机、电缆和电力电子设备）产生的废热。氢气吸收这些热量后温度逐渐升高，这是必要过程，因为氢气在进入燃料电池和涡轮前必须预热。

在整个飞机内输送液氢本身也存在挑战。机械泵会增加重量和复杂性，并可能引入多余热量或在低温条件下引发故障风险。为避免这些问题，团队开发了一种无泵系统，利用储罐压力控制氢燃料的流动。

压力通过两种方法调节：从标准高压气瓶注入氢气以提高压力，或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连接，实现实时调整储罐压力，确保所有飞行阶段获得正确的氢气流速。模拟显示其输送速率可达每秒0.25公斤，足以满足起飞或紧急复飞期间16.2兆瓦的电力需求。

热交换器采用阶梯式序列布置。当氢气流经系统时，它首先冷却运行在低温环境下的高效组件（如高温超导发电机和电缆），随后吸收较高温组件（包括电机、电机驱动器和电力电子设备）的热量。最终，在到达燃料电池前，氢气被预热至符合燃料电池最佳入口条件。

这种阶梯式热集成使液氢既能作为冷却剂又能作为燃料，在最大限度提高系统效率的同时降低硬件复杂性。

“此前人们不确定如何在飞机内有效输送液氢，以及是否还能用它冷却动力系统部件，”郭教授表示。“我们不仅证明了其可行性，还展示了这类设计必须进行系统级优化。”

未来计划

虽然本研究侧重于设计优化和系统模拟，但下一阶段将涉及实验验证。郭教授及其团队计划在佛罗里达州立大学（FSU）先进电力系统中心构建原型系统并进行测试。

该项目隶属于美国国家航空航天局（NASA）的“零排放航空综合计划”，该计划联合美国各地机构共同开发全套清洁航空技术。合作高校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。佛罗里达州立大学（FSU）在氢存储、热管理和电力系统设计方面牵头。

在佛罗里达州立大学（FSU），主要贡献者包括研究生Parmit S. Virdi；教授Lance Cooley、Juan Ordóñez、Hui Li、Sastry Pamidi；以及低温学、超导性和电力系统领域的其他教师专家。

该项目由NASA支持，属于其“大学领导力计划”的一部分。该计划为美国大学提供获得NASA资助的机会，由其主导组建团队并制定符合NASA航空研究任务理事会及其战略实施计划目标的研究议程。

郭教授的研究在佛罗里达州立大学（FSU）主导的国家强磁场实验室进行，该实验室由美国国家科学基金会和佛罗里达州政府资助。