低温氢气储存和输送系统（用于下一代飞机）

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、巡航和着陆等各飞行阶段的功率需求。

该研究的通讯作者、机械工程系教授Wei Guo表示："我们的目标是创建一个能处理多个关键任务的单一系统：燃料存储、冷却和输送控制。这项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燃油且不排放二氧化碳。但其密度远低于传统燃料，这意味着除非以-253°C的超低温液态存储，否则将占据更大空间。

为解决这一难题，研究团队通过系统级综合优化设计低温储罐及其相关子系统。他们突破性地定义了新的"质量指数"——燃料质量与完整燃料系统质量的比值。该指标涵盖氢燃料、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置及工作流体的总质量。

通过反复调整排气压力和热交换器尺寸等关键参数，团队最终确定了使系统总质量中燃料占比最大的最优构型。该构型实现质量指数0.62，意味着系统总重量的62%为可用氢燃料，较传统设计有显著提升。

该系统的另一核心功能是热管理。设计方案摒弃独立冷却系统，让超低温氢流经系列热交换器，吸收超导发电机、电机、线缆和功率电子设备等机载部件产生的废热。氢在吸热过程中逐步升温，此过程恰为必要环节——氢在进入燃料电池和涡轮前需进行预热。

液氢在飞机内的输送存在特殊挑战：机械泵增加重量与复杂性，可能引入额外热量或在低温条件下故障。为此团队开发了无泵系统，利用储罐压力控制氢燃料流动。

压力调节采用双重机制：通过标准高压气瓶注入氢气增压，或排放氢蒸汽减压。压力传感器与飞机功率需求曲线形成反馈闭环，实时调整储罐压力以确保各飞行阶段氢流量精确可控。模拟显示系统最高输送速率达0.25千克/秒，可满足起飞或紧急复飞时16.2兆瓦的电力需求。

热交换器采用阶梯式布局：氢流首先冷却超低温运行的高效部件（如高温超导发电机和线缆），继而吸收高温部件（包括电机、电机驱动器和功率电子设备）的热量，最终在进入燃料电池前预热至最佳入口温度。

这种阶梯式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降低硬件复杂度。

Guo教授强调："过去人们不确定如何在飞机内有效输送液氢，更未设想将其用于冷却动力系统。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。"

未来规划

当前研究聚焦设计优化与系统仿真，下一阶段将进行实验验证。Guo团队计划在佛罗里达州立大学先进动力系统中心建造原型系统开展测试。

该项目隶属NASA"零排放航空综合计划"，联合佐治亚理工学院、伊利诺伊理工学院、田纳西大学和布法罗大学等机构共同开发清洁航空技术体系。佛罗里达州立大学主导氢存储、热管理和动力系统设计环节。

佛罗里达州立大学核心团队包括研究生Parmit S. Virdi；教授Lance Cooley、Juan Ordóñez、Hui Li、Sastry Pamidi及低温、超导和电力系统领域的专家。

本项目由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。

Guo教授的研究在佛罗里达州立大学国家强磁场实验室完成，该实验室获美国国家科学基金会和佛罗里达州政府支持。