用于下一代飞行器的低温氢存储及输送系统

这项发表在《应用能源》(Applied Energy)的研究介绍了一种专为100座混合动力飞机设计的方案，该方案同时采用氢燃料电池和氢涡轮驱动超导发电机供电。研究展示了液氢如何实现高效存储、安全传输并用于冷却关键机载系统——同时满足起飞、巡航及降落等各飞行阶段的功率需求。

"我们的目标是创建单一系统来处理多重关键任务：燃料存储、冷却及输送控制，"机械工程系教授、论文通讯作者郭伟（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，因其单位质量能量密度高于航空燃油且不排放二氧化碳。但其密度极低，需在-253℃超低温下以液态储存才能减少空间占用。

为解决这一挑战，团队通过系统级整体优化设计低温储罐及其配套子系统。他们创新性地提出质量指数（燃料质量与完整燃料系统质量之比）作为核心指标，该指数涵盖氢燃料、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置及工作流体的总质量。

通过对排放压力、热交换器尺寸等关键参数反复调整，团队确定了燃料质量占比最大的系统构型。最终优化构型的质量指数达0.62，意味着系统总重量的62%为可用氢燃料，较传统设计实现重大突破。

该系统的另一核心功能是热管理。设计摒弃独立冷却系统，将超低温氢导入串联热交换器，吸收超导发电机、电机、线缆及电力电子设备等部件的废热。氢吸热过程使其温度梯度上升——此过程恰为燃料进入电池和涡轮前的必要预热环节。

液氢在飞机内的输送面临特殊挑战：机械泵增加重量与复杂度，可能引入多余热量或在低温工况下失效。为此，团队开发出无泵系统，利用储罐压力调控氢燃料流量。

压力控制采用双模式：通过标准高压气瓶注入氢气增压，或排放氢蒸气减压。压力传感器与飞机功率需求曲线形成反馈回路，实时调节储罐压力以确保各飞行阶段供氢速率精准匹配。模拟显示系统最大供氢速率达0.25千克/秒，可满足起飞或紧急复飞时16.2兆瓦电力需求。

热交换器采用阶梯式布局：液氢流经系统时，先冷却运行于低温工况的高效部件（如高温超导发电机与线缆），再吸收高温部件（电机、电机驱动器及电力电子设备）热量。最终在进入燃料电池前完成预热，符合最佳燃料入口条件。

这种分阶段热集成使液氢兼具冷却剂与燃料双重功能，在最大化系统效率的同时显著降低硬件复杂度。

"此前学界对飞机内液氢的高效输送及系统冷却可行性存疑，"郭教授指出，"我们不仅证实其可行性，更论证了此类设计必须进行系统级优化。"

后续计划

本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并开展测试。

该项目隶属NASA"零排放航空综合计划"，联合美国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、热管理及电力系统设计。

FSU核心成员包括研究生帕米特·S·维尔迪(Parmit S. Virdi)；低温工程学教授兰斯·库利(Lance Cooley)、系统优化专家胡安·奥多涅斯(Juan Ordóñez)、电力电子专家李辉(Hui Li)、超导技术教授萨斯特里·帕米迪(Sastry Pamidi)等跨学科专家。

本研究由NASA"大学领导力计划"资助，该计划支持美国高校主导团队建设并制定与NASA航空研究任务目标协同的研究议程。

郭伟团队在FSU所属的美国国家强磁场实验室（美国国家科学基金会与佛罗里达州联合资助）完成此项研究。