下一代飞机低温氢储存输送系统

这项发表在《应用能源》(Applied Energy)上的研究介绍了一种专为100座混合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存储、安全输送并用于冷却机上关键系统——同时还能满足起飞、巡航和降落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个关键任务的集成系统：燃料存储、冷却和输送控制，"该研究的通讯作者、机械工程系教授郭炜（音译）表示，"该设计为现实世界的氢动力航空系统奠定了基础。"

氢被视为航空领域有前景的清洁燃料，因其每公斤蕴含的能量高于航空煤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，否则需要占用更大空间。

为应对这一挑战，研究团队进行了全面的系统级优化设计低温储罐及其相关子系统。他们未局限于储罐本身，而是定义了一个新的质量指数（燃料质量与完整燃料系统质量的比值）。该指数涵盖氢燃料质量、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置及工作流体的总质量。

通过反复调整泄压压力和热交换器尺寸等关键设计参数，他们确定了能使燃料质量相对于系统总质量达到最大化的配置方案。最终优化配置的质量指数达到0.62，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。设计采用超低温氢流经一系列热交换器来吸收超导发电机、电动机、电缆和电力电子设备等机载部件的废热，省去了独立冷却系统。氢吸收热量的过程使其温度逐渐升高——这是必要步骤，因为氢进入燃料电池和涡轮机前必须预加热。

在飞机内输送液氢存在特殊挑战。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发生故障。为避免这些问题，团队开发了利用储罐压力控制氢燃料流动的无泵系统。

压力调节采用两种方法：从标准高压气瓶注入氢气增压，或排放氢蒸汽减压。通过反馈回路将压力传感器与飞机功率需求曲线关联，可实时调整储罐压力确保各飞行阶段氢流量精确可控。模拟显示系统能以每秒0.25千克的速率输送氢燃料，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。氢流经系统时，首先冷却高温超导发电机及电缆等需低温运行的高效部件，随后吸收电动机、电机驱动器及电力电子设备等高温部件的热量。最终在进入燃料电池前，氢被预热至符合燃料电池最佳入口条件。

这种分级热集成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显著降低硬件复杂度。

"此前人们不确定如何在飞机内有效输送液氢，也不确定能否用它冷却动力系统部件，"郭教授指出，"我们不仅验证了可行性，还证明此类设计必须进行系统级优化。"

下一步计划

当前研究聚焦设计优化与系统模拟，下一阶段将进行实验验证。郭教授团队计划在佛罗里达州立大学（FSU）先进电力系统中心建造原型系统并开展测试。

该项目隶属NASA"零排放航空综合计划"，联合全美多所机构共同开发清洁航空技术体系。合作院校包括佐治亚理工学院、伊利诺伊理工学院、田纳西大学及布法罗大学。FSU主导氢存储、热管理与电力系统设计研究。

FSU核心团队成员包括研究生Parmit S. Virdi；教授Lance Cooley, Juan Ordóñez, 李辉（音译）, Sastry Pamidi；以及低温学、超导性与电力系统领域的其他专家。

本项目由NASA"大学领导力倡议"计划资助，该计划支持美国高校主导组建团队，制定符合NASA航空研究任务署战略实施规划的研究议程。

郭教授的研究在FSU所属的美国国家强磁场实验室完成，该实验室由国家科学基金会和佛罗里达州政府共同支持。