Национальный центр композитов Великобритании (НКЦ) разработал демонстрационный резервуар для хранения космического жидкого водорода длиной 750 мм и диаметром 450 мм, вмещающий более 96 литров жидкого водорода.

Резервуар спроектирован и изготовлен с номинальной толщиной стенок от 4,0 до 5,5 мм, что позволяет ему выдерживать давление 85 бар. Композитный кузов из углеродного волокна весит всего 8 килограммов, планируется дальнейшая оптимизация веса. НКЦ использует эпоксидный препрег из углеродного волокна МТС510 шириной 300 мм. МТС510 — это система эпоксидной смолы, предназначенная для отверждения при температуре от 80°C до 120°C и закаленная для повышения устойчивости к повреждениям. Компания БИНДАТЕКС предоставила ленту препрега, которая была точно разрезана на ширину 6,35 мм и возвращена в виде 22 000 метров материала для использования в оборудовании автоматической укладки волокон Кориолиса (АФП). Устройство Кориолис АФП использовалось для обертывания препреговой ленты диаметром 6,35 мм вокруг моющейся формы, при этом процесс намотки контролировался специализированным программным обеспечением для управления как спиральной, так и кольцевой намоткой. Процесс намотки, состоящий из более чем 24 слоев и толщины до 5,5 мм, можно регулировать для оптимизации конкретного давления или требований к нагрузке резервуара.

Основная форма с толщиной стенок 30 мм была отлита из двух частей, а затем склеена вместе. Инструмент включает в себя три моющихся внутренних усиливающих кольца, предназначенных для того, чтобы выдерживать ожидаемые скручивающие нагрузки во время автоматического нанесения слоя композита и давление, оказываемое во время автоклавного отверждения. Металлические порты клапана для жидкости интегрированы в моющуюся форму стержня, что устраняет необходимость операций вторичной сборки и склеивания конечного продукта. Эти порты соединяются с углеродным композитом на более поздних этапах производственного процесса. После намотки резервуар проверяют на наличие дефектов и отклонений по толщине, отверждают в автоклаве при температуре 100°С и повторно проверяют. Неразрушающий контроль (неразрушающий контроль) после отверждения с использованием ультразвукового C-сканирования и термографии сравнивается для выявления любых дефектов, таких как расслоения и пористость. Наконец, внутренняя форма стержня промывается холодной водой под давлением, чтобы полость резервуара была чистой.

Зачем использовать жидкий водород в гражданских самолетах?

Водород имеет плотность энергии 33,3 кВтч/кг по сравнению с 12 кВтч/кг керосина. При нормальном давлении и температуре плотность водорода составляет 0,090 кг/м³. При давлении 700 бар (в 700 раз больше нормального атмосферного давления) плотность водорода составляет 42 кг/м³, что позволяет резервуару емкостью 125 л хранить 5 кг водорода. При температуре -252,87°C и давлении 1,013 бар жидкий водород имеет плотность, близкую к 71 кг/м³, что позволяет резервуару емкостью 75 л хранить 5 кг водорода. Хранение жидкого водорода в низкотемпературных резервуарах помогает еще больше уменьшить объем.

• 3000 литров газообразного водорода при нормальной температуре и давлении эквивалентны по энергии 1 литру авиационного керосина.

• 6 литров газообразного водорода при 700 бар по энергии эквивалентны 1 литру авиационного керосина.

• 4 литра (1,05 галлона) жидкого водорода при температуре -252,87°C и давлении 1,013 бар дают ту же энергию, что и 1 литр авиационного керосина.

Из этих данных видно, что для хранения жидкого водорода (-252,87°C) требуется наименьший объем резервуара для хранения. Меньшие объемы баков легче интегрировать в аэродинамическую форму самолета.

Ключевые технические проблемы низкотемпературных (-252,87°C) резервуаров для хранения жидкого водорода:

1. Поддержание жидкого водорода в резервуаре ниже -253°C:В настоящее время между внутренним и внешним резервуарами используется конструкция с вакуумной изоляцией. Внутренний бак изготовлен из композитных материалов, армированных углеродным волокном, а внешний бак содержит несколько слоев специальной изоляции.

2. Установка и обслуживание внутренних систем резервуара:Проблема установки и обслуживания трубопроводов и компонентов системы внутри резервуара при использовании существующего процесса намотки оптоволокна.

3. Выбор материала для резервуара и его внутренних компонентов:Влияние низкотемпературной среды (-252,87°С) на материалы, из которых изготовлен резервуар и его внутренние компоненты.

4. Методы низкотемпературных испытаний и технологии управления выбросами топлива.

5. Устойчивые частые взлеты и посадки:Водородный бак должен выдержать примерно 20 000 взлетов и посадок.

Влияние на конструкцию самолета

Топливные баки в конструкции крыла самолета представляют собой полости, используемые для хранения топлива. Крыльевой бак А320 может хранить около 20 тонн авиационного керосина (аналогично для Боинг 737 и КОМАК C919). Заменив керосин жидким водородом, цилиндрический бак жидкого водорода емкостью 94 м³ можно было установить только в хвостовой части фюзеляжа, что потребовало значительного удлинения фюзеляжа. Задняя часть фюзеляжа имеет коническую форму с максимальным диаметром менее 4 м. Просто расширить фюзеляж для размещения бака объемом 94 м³ непрактично; следовательно, диаметр фюзеляжа тоже необходимо увеличить.

В новой конструкции А320 в хвостовой части фюзеляжа установлены круглый и конический бак. Однако будет ли увеличен диаметр фюзеляжа, пока неясно, хотя это вполне вероятно. Великобритания представила проект гражданского самолета, работающего на жидком водороде, с узкофюзеляжным самолетом ФЗН-1E, который заменит нынешний А320. Эта новая конструкция удлиняет фюзеляж на 10 м, увеличивает диаметр на 1 м, имеет двухфюзеляжную компоновку салона, измененную конструкцию крыльев, добавлены"носовые плоскости"на носу, а двигатели установлены на хвосте.

Прогресс

Двигатели гражданских самолетов бывают двух типов: турбовинтовые и турбореактивные двигатели. В самолетах с турбовинтовыми двигателями водород генерирует электричество через топливные элементы, подаваемые в генераторы, приводящие в движение пропеллеры. Этот тип двигателя в основном устанавливается на региональные самолеты от 10 до 70 мест и небольшие самолеты авиации общего назначения. Первоначальные исследования в области водородного топлива начались именно с этих типов самолетов. 12 апреля немецкий 4-местный водородно-электрический самолет «ХИ-4» успешно перелетел из Штутгарта во Фридрихсхафен. Позже в этом году мы можем увидеть в небе 19-местные водородно-электрические самолеты «Дорнье» и 75-местные «Q-400» и «ATR72-600». В апреле 1988 года Советский Союз совершил испытательный полет модифицированного Ту-155 с турбореактивным двигателем на жидком водороде. После распада Советского Союза Россия не продолжила эти исследования.

В настоящее время только четыре компании в мире производят и разрабатывают гражданские самолеты с числом мест более 100: Боинг, Аэробус, КОМАК и Россия. Согласно недавнему сообщению зарубежных СМИ, только Боинг и Аэробус проводят реальные исследования по применению жидкого водорода в гражданских самолетах. Проект Боинг, реализованный более десяти лет назад на небольшом"Димона"винтовой планер, был предварительным. Впереди Аэробус, начавший высотные летные испытания турбовентиляторных двигателей, работающих на жидком водороде. Они также предоставили эскизные проекты трех типов самолетов: винтовых, 150-местных и широкофюзеляжных самолетов. Доступна дополнительная информация о 150-местном самолете, который заменит узкофюзеляжный 150-местный А320, который присутствует на рынке уже почти 40 лет. Аэробус планирует запустить"новый А320"между 2030 и 2035 годами. Новый самолет будет иметь"альбатрос"аэродинамическая схема со сверхвысоким удлинением, складывающимися, машущими законцовками крыла и отсутствием закрылков-обтекателей. В качестве материалов будут использованы термореактивные композиты на основе эпоксидной смолы, армированные углеродным волокном, для крыльев и высокоэффективные термопластичные композиты из углеродного волокна для фюзеляжа. В этом новом самолете вместо авиационного керосина будет использоваться жидкий водород, при этом планируется производить 70-100 самолетов в месяц. Аэробус значительно опережает Боинг в разработке самолетов, работающих на жидком водороде (информации о замене Боинг 737 на жидкий водород не поступало).

Что мы можем сделать?

Использование водорода вместо ископаемого топлива не только снижает выбросы углекислого газа, но и имеет стратегическое значение для стран, испытывающих недостаток нефтяных ресурсов. Китай является крупнейшим в мире производителем водорода с годовым объемом производства около 33 миллионов тонн. Несколько компаний занимаются производством жидкого водорода, а Китай является вторым по величине производителем углеродного волокна в мире. Таким образом, разработка и производство композитных резервуаров для хранения водорода имеют прочную материальную основу.

Различные резервуары для хранения жидкого водорода в аэрокосмической и авиационной промышленности, обсуждаемые в этой статье, демонстрируют, что резервуары для хранения спроектированы и изготовлены с учетом конкретных потребностей и структурных пространств различных продуктов. В настоящее время во многих промышленных продуктах все еще используется ископаемое топливо или сетевое электричество. Они могут рассмотреть возможность перехода на водородную энергию. В области хранения водорода предстоит разработать широкий спектр продуктов, и нас ждет множество задач.

Некоторые данные в этой статье, взятые из Интернета, были неоднократно проверены на точность. Эти данные можно использовать для оценки первоначальных проектных размеров и емкости резервуаров для хранения водорода.