低温氢存储及输送系统（用于下一代飞行器）

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设计的方案，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集成系统：燃料存储、冷却和输送控制，"机械工程系教授、该研究的通讯作者郭伟（Wei Guo）表示。"该设计为现实世界的氢航空系统奠定了基础。"

氢被视为极具前景的航空清洁燃料，因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，这意味着除非以-253°C的超低温液态形式储存，否则会占据更大空间。

为解决这一挑战，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。他们并未仅关注储罐本身，而是定义了一个新的重力指数——即燃料质量与完整燃料系统质量之比。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。最终优化配置的重力指数达到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。设计未采用独立冷却系统，而是让超低温氢流经一系列热交换器，吸收超导发电机、电动机、电缆和电力电子设备等机载部件产生的废热。随着氢吸收热量，其温度逐渐升高——这是必要过程，因为氢进入燃料电池和涡轮机前必须预热。

在整个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，并可能在低温条件下引入多余热量或引发故障风险。为避免这些问题，团队开发了无泵系统，利用储罐压力控制氢燃料流动。

压力通过两种方式调节：从标准高压气瓶注入氢气增压，或排放氢蒸汽减压。压力传感器通过反馈回路与飞机功率需求曲线联动，实时调整储罐压力以确保所有飞行阶段获得准确的氢流量。模拟显示其氢气输送速率最高可达0.25千克/秒，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串联布局。氢在系统中流动时，首先冷却在低温环境下运行的高效部件（如高温超导发电机和电缆），随后吸收高温部件（包括电动机、电机驱动器和电力电子设备）的热量。最终在抵达燃料电池前，氢被预热至符合最佳燃料电池入口条件。

这种阶梯式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最小化硬件复杂度。

"此前人们不确定如何在飞机内有效输送液氢，也不确定能否同时用它冷却动力系统部件，"郭伟指出。"我们不仅验证了可行性，更证明了此类设计必须进行系统级优化。"

后续计划

尽管本研究聚焦设计优化和系统模拟，下一阶段将进行实验验证。郭伟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开展测试。

该项目隶属美国宇航局（NASA）"零排放航空综合计划"，该计划联合全美机构共同开发整套清洁航空技术。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主导氢存储、热管理和动力系统设计研究。

FSU的核心研究人员包括研究生Parmit S. Virdi；教授Lance Cooley、Juan Ordóñez、Hui Li、Sastry Pamidi；以及低温学、超导和电力系统领域的其他教师专家。

该项目由NASA资助，属于其"大学领导力计划"的一部分。该计划让美国高校有机会获得NASA资金支持，牵头组建团队并自主制定符合NASA航空研究任务部及其战略实施计划目标的研究议程。

郭伟的研究在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共同支持。