用于下一代飞行器的低温氢储存与输送系统

这项发表在《应用能源》杂志上的研究，介绍了一种专为100座混合电力飞机设计的设计方案，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。该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、巡航和着陆等各种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、机械工程系教授郭巍（Wei Guo）表示，“该设计为现实世界的氢航空系统奠定了基础。”

氢被视为航空领域一种有前景的清洁燃料，因为其每公斤所含能量高于航空煤油，且不排放二氧化碳。但其密度也低得多，这意味着除非以-253°C的超冷液体形式储存，否则它需要占用更多空间。

为应对这一挑战，该团队进行了全面的系统级优化设计低温储罐及其相关子系统。他们并非只关注储罐本身，而是定义了一个新的“质量系数”，即燃料质量与整个燃料系统质量之比。该指标包含了氢燃料质量、储罐结构质量、隔热材料质量、热交换器质量、循环装置质量以及工作流体质量。

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构型。最终得到的最优构型实现了0.62的质量系数，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。该设计未采用独立的冷却系统，而是将超低温氢气引导通过一系列热交换器，这些热交换器用于移除超导发电机、电动机、电缆和电力电子设备等机载部件产生的废热。氢气吸收这些热量后，温度逐渐升高，这是一个必要的过程，因为氢气在进入燃料电池和涡轮机之前必须预热。

在整个飞机内输送液氢也面临挑战。机械泵会增加重量和复杂性，并可能在低温环境下引入多余热量或存在故障风险。为避免这些问题，该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。

压力调节采用两种方法：从标准高压气瓶注入氢气气体以增加压力，以及排放氢气蒸气以降低压力。反馈回路将压力传感器与飞机的功率需求曲线相连接，从而能够实时调整储罐压力，确保在所有飞行阶段提供正确的氢气流速。模拟显示，该系统能以高达0.25千克/秒的速率输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞情况下16.2兆瓦的电力需求。

热交换器采用分级排列的结构。当氢气流经系统时，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，它吸收更高温度部件（包括电动机、电机驱动器和电力电子设备）产生的热量。最后，在到达燃料电池之前，氢气被预热至符合燃料电池最佳入口条件。

这种分级热集成设计使液氢既能作为冷却剂，又能作为燃料，在最大化系统效率的同时，最大限度降低了硬件复杂性。

“此前，人们不确定如何在飞机内有效输送液氢，以及是否也能用它来冷却电力系统部件，”郭教授说，“我们不仅证明了其可行性，还论证了针对此类设计必须进行系统级优化。”

后续步骤

虽然本研究侧重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一个原型系统并进行测试。

该项目是美国国家航空航天局（NASA）“综合零排放航空计划”的一部分，该计划汇集了美国各地的机构共同开发一整套清洁航空技术。合作大学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。佛罗里达州立大学在氢存储、热管理和电力系统设计方面牵头研究。

在佛罗里达州立大学，主要贡献者包括研究生帕米特·S·维尔迪（Parmit S. Virdi）；教授兰斯·库利（Lance Cooley）、胡安·奥多涅斯（Juan Ordóñez）、李辉（Hui Li）、萨斯特里·帕米迪（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支持，作为其“大学领导力倡议”的一部分。该倡议为美国大学提供获得NASA资金的机会，并领导建立自己的团队，制定自己的研究议程，其目标需支持并补充NASA航空研究任务理事会及其战略实施计划。

郭教授的研究在佛罗里达州立大学总部所在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提供支持。