用于下一代飞行器的深低温氢存储与输送系统

这项发表在《应用能源》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气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关键机载系统——同时满足起飞、巡航和着陆等不同飞行阶段的供电需求。

"我们的目标是创建一套能处理多重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、论文通讯作者郭伟（音译）表示，"该设计为现实世界的氢航空系统奠定了基础。"

氢被视为极具前景的航空清洁燃料，因其每千克能量密度高于航空煤油且不排放二氧化碳。但其密度极低，必须以-253°C超低温液态存储才能减少占用空间。

为解决这一挑战，团队通过系统级优化设计深冷储罐及相关子系统。他们创新性地定义了新重量指数（燃料质量与完整燃料系统质量之比），涵盖氢燃料、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置及工作流体的总质量。

通过反复调整排放压力和热交换器尺寸等关键参数，团队确定了燃料质量相对于系统总质量最大化的最优配置方案。最终方案实现0.62的重量指数，意味着系统总重量的62%是可用的氢燃料，较传统设计显著提升。

该系统另一核心功能是热管理。设计利用超冷氢流经串联热交换器，吸收超导发电机、电动机、线缆及电力电子设备等机载部件的废热，省去独立冷却系统。氢吸热升温的过程恰可满足燃料电池和涡轮机所需的预热要求。

液氢的整机输送面临特殊挑战。机械泵会增加重量和复杂性，且在深冷环境下可能引入多余热量或发生故障。为此团队开发了无泵系统，利用储罐压力控制氢燃料流量。

压力调节采用双模式：通过标准高压气瓶注入氢气增压，排放氢蒸气减压。压力传感器与飞机供电需求曲线构成反馈回路，实时调整罐压确保各飞行阶段的精确氢流量。模拟显示其最大输送速率达0.25千克/秒，可满足起飞或紧急复飞时16.2兆瓦的供电需求。

热交换器采用分级布置：氢流首先冷却深温运行的高效部件（如高温超导发电机和线缆），继而吸收电动机、电机驱动器及电力电子设备等高温部件热量，最终在进入燃料电池前预热至最佳入口条件。

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降低硬件复杂度。

"此前学界对飞机内液氢的有效输送及其能否用于冷却供电系统存疑，"郭教授指出，"我们不仅验证了可行性，更证明此类设计必须进行系统级优化。"

后续计划

在完成设计优化和系统模拟后，下一阶段将开展实验验证。郭伟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进行测试。

该项目隶属NASA"零排放航空集成计划"，联合全美多所院校共同开发清洁航空技术体系。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、Hui Li、Sastry Pamidi；以及低温、超导和电力系统领域的其他专家。

该项目由NASA"大学领导力计划"资助，该计划支持美国高校主导组建团队，制定与NASA航空研究任务署战略实施计划相协同的研究议程。

郭教授的研究在FSU主导的美国国家强磁场实验室完成，该实验室受美国国家科学基金会和佛罗里达州政府支持。