用于新一代飞行器的低温氢储运系统

这项发表在《应用能源》期刊上的研究，介绍了一种专为100座混合动力电动飞机量身定制的设计，该飞机同时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存储、安全传输并用于冷却关键的机载系统——同时满足起飞、巡航和着陆等各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：燃料存储、冷却和输送控制，"该研究的通讯作者、机械工程系教授郭伟（音译）表示，"该设计为现实世界的氢航空系统奠定了基础。"

氢被视为一种有前景的航空清洁燃料，因为其每千克蕴含的能量高于航空燃油，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的超冷液态形式储存，否则会占据更大空间。

为应对这一挑战，该团队进行了全面的系统级优化设计深冷储罐及其相关子系统。他们并未仅关注储罐本身，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。该指数包含氢燃料质量、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。该设计无需安装独立的冷却系统，而是将超低温氢气通过一系列热交换器输送，这些热交换器可带走超导发电机、电机、电缆和电力电子设备等机载部件的废热。随着氢气吸收热量，其温度逐渐升高，这是一个必要过程，因为氢气进入燃料电池和涡轮前必须预热。

在整个飞机内输送液氢存在其特有的挑战。机械泵会增加重量和复杂性，并可能引入多余热量或在深冷条件下存在故障风险。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。一个反馈回路将压力传感器与飞机功率需求曲线连接，实现储罐压力的实时调整，确保所有飞行阶段都能维持正确的氢流量。模拟显示该系统最高能以每秒0.25千克的速率输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞时16.2兆瓦的电力需求。

热交换器采用分级布置序列。随着氢气流经系统，它首先冷却在深冷温度下运行的高效部件，如高温超导发电机和电缆；随后从温度更高的部件吸收热量，包括电动机、电机驱动器和电力电子设备；最后，在抵达燃料电池前，氢气被预热至符合燃料电池最佳入口条件。

这种分级热集成方案使液氢兼具冷却剂和燃料双重功能，在最大化系统效率的同时最小化了硬件复杂度。

"过去人们不确定如何在飞机内有效移动液氢，也不确定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，还论证了此类设计必须进行系统级优化。"

后续工作

虽然本研究聚焦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）高级电力系统中心建造原型系统并进行测试。

该项目隶属于美国宇航局（NASA）"综合零排放航空计划"，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。FSU在氢存储、热管理和动力系统设计方面主导研究。

在FSU，核心贡献者包括研究生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专家。

该项目由NASA支持，隶属于该机构"大学领导力计划"，该计划为美国高校提供获取NASA资金的机会，使其能自主组建团队并设定符合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FSU主持的美国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。