NASA CHEETA液氢燃料电池飞机进入新阶段

2024-01-09 08:22:55

这里说明的是CHEETA独特的飞机设计原型，它是围绕燃料电池的使用而构建的。氢燃料储存在飞机机舱上方的轻质、热效率高的低温罐中，与目前的管翼飞机配置相比，这也改善了飞机的升力分布。

液氢储存在飞机机舱上方的轻质、热效率高的低温罐中

 

学分：菲利普·安塞尔，伊利诺伊大学

AE教授Phil Ansell为NASA资助的大学领导力计划计划的第一阶段设定了很高的标准：开发使用低温液态氢作为飞机能量载体的新技术。伊利诺伊州领导的倡议支持用于建立飞机高效电气技术中心，为零排放航空未来创新新型动力、能源和配置系统。三年后，九家学术机构，波音，通用电气和空军研究实验室清除了障碍，并专注于第二阶段：开发其设计的原型。
 
“因为氢气占用了大量的体积，所以最好保持液态冷。我们没有将其视为障碍，而是将其视为利用这些独特特征的机会，“航空航天工程教授兼CHEETA主任Phillip Ansell说。“我们看到使用液氢的20开尔文低温来使用超导技术有很大的希望。某些类别的材料在这些温度下表现出降至零的电阻，这消除了传统电力系统中发现的主要电损耗来源。通过这种方式，我们利用液氢作为燃料和保持这些超低温的便捷方式。
 
该计划的第一阶段包括6万美元的奖励，在三年内开发了几项突破性的技术和设计概念。

 

美国地图插图显示了NASA计划的多机构合作

 

安思尔说：“在第一阶段，我们制定了如何利用和管理燃料电池技术的愿景，以满足商用飞机的强劲动力要求，同时从车辆中产生零二氧化碳和氮氧化物排放。该团队还为超导电力传输系统开发了一种架构，能够在比大多数室温系统所需的电压低得多的电压下高效运行，解决了传统设计面临的几个挑战。
 
该团队还开发了一类新型低温电机，与电动管道风扇系统共同设计。这些低温电机所涉及的原理与磁悬浮列车、粒子加速器和MRI上已经使用的原理有相似之处。迄今为止，还没有用于飞机应用的商用低温电机。
 
第一阶段包括对温度低至1开尔文的电力电子元件进行详细基准测试，并利用这些数据创建一组新的低温逆变器，能够将提供的电力从直流转换为交流电，这是电机可以使用的一种形式。
 
在设计新型液氢存储系统方面进行了其他创新。

 

左：低温电机的设计。右：正在进行的转换器开发

 

“在许多方面，氢气罐和燃料管理系统是飞机的核心。奇塔开发的坦克技术非常出色。这些系统不仅超轻，而且在设计时考虑到了飞机的操作要求。它们足够坚固，可以承受商用飞机的重型循环，同时满足严格的认证安全要求，“安塞尔说。
 
CHEETA研究的一个关键组成部分是确定如何将这些先进组件配置到飞机系统中。
 
“我们能够将电气系统损耗降低到2%以下，因此从燃料电池的输出到转动电机的转子，整个系统的效率超过98%，”安塞尔说。“这符合我们在计划第一天制定的雄心勃勃的目标，我为我们的团队为实现这一愿景所做的巨大工作感到无比自豪。

 

剖面图显示了系统配置设计的元素

 

“找到一种方法来容纳这个概念的大量氢气是很困难的。然而，当我看到大批量需求时，我认为这是一个以不同方式思考飞机设计的新机会。我们能够保持传统机身的成熟、高效设计。然而，通过将油箱区域混合到机身中以创建一个为飞机产生有用升力的部分，我们产生了一种比现有飞机更有效的设计。
 
该系统有许多必要的安全考虑因素。“我们必须将油箱放在飞机的高处，以避免在紧急着陆情况下坦克刺穿或火灾的风险，”安塞尔说。“由于其微小的尺寸，氢是一种非常滑的分子，这使得它容易泄漏。即使是当今飞机现有的喷气燃料处理系统也经常出现泄漏。不过，氢气具有令人难以置信的浮力，可以迅速向上排放，远离飞机。在这些氢气的情况下，我们希望将油箱放置在确保蒸汽没有机会进入乘客舱的方式放置。
 
在飞机系统层面还有其他关键发展。例如，在转向全电动推进系统时，该团队抓住机会将推进系统集成到飞机空气动力学设计中。
 
“我们使用边界层摄取来减少所需的推进功率，并将推进系统集成到高升力系统的设计中，同时开发新的设计工具，可以优化这些配置。从设计的角度来看，运行燃料电池系统的最大挑战之一是处理产生的巨大热负荷。我们优化配置了热交换器的集成策略，以最小化这些设备产生的净阻力的方式回收一些废热。
 
安思尔认识到，自我施加的限制使任务更具挑战性。
 
“我希望这是一架零排放飞机，既不落后于功能，又满足波音737-800飞机相同的性能特征。这包括巡航速度、乘客的有效载荷承载能力、航程和机场兼容性，“安塞尔说。“我很想在这些设计要求上作弊，但最终，我们看到了不妥协的价值，因为这就是现实。
 
“未来可能会有不同的飞机运行模式，但今天短程或有限有效载荷飞机使用大量燃料燃烧没有先例，这就是为什么我们说，让我们去解决难题，”他说。“如果我们看一下航空业的实际温室气体排放和对环境的影响，我们不能仅仅假设航空作为一个生态系统将适应性能降低的飞机。我们需要使飞机满足客户的期望。这就是为什么我们如此顽固地保持高水平要求，因为这是更难的问题。
 
与电气系统要求一样，第一阶段生产的最终CHEETA概念成功地表明了满足1-737飞机飞行性能的能力，同时飞机本身产生的二氧化碳和氮氧化物排放为零。

 

艺术家利用Cheeta系统渲染的先进商用运输机概念

 

第二阶段将采用该小组开发的概念设计，并创建关键组件的原型。这始于2千瓦低温电机的开发，该电机将代表为全尺寸飞机设计的八分之一比例版本。该机器将耦合到超导动力传输演示单元，其尺寸能够超过300千瓦基准的峰值功率。该团队还将开发液氢罐技术的300升原型，以及300.5%比例的无人飞机，以展示提升机身方法的优点，以容纳大量的氢燃料。
 
“第一阶段的重点不是制造飞机，”安塞尔说。“我们有能力发挥创造力，做大学擅长的事情，提出想法。有些想法可能是非常规的，但其中很多都得到了牵引力。它们正被移植到国内和国际其他组织的研究组合中。美国宇航局希望我们采用这些技术并推进它们，这就是为什么他们在未来几年为我们提供资金的原因。
 
“第一阶段的所有内容本质上都是由分析支持的设计研究。现在我们可以把物理原型放在一起。它们将比完整实现更小、更低功耗，但在黄金时段扩大规模所需的内容以及表明论文设计和分析是正确的方面，有很多学习。
 
安塞尔说，下一阶段最大的挑战可能是快速构建原型的时间限制。